Этот пример показывает динамическое управление уровнем путем варьирования схемы Modulation и Coding (MCS) последовательных пакетов, переданных по частоте выборочный многопутевой исчезающий канал.
Стандарт IEEE® 802.11™ поддерживает динамическое управление уровнем путем корректировки значения MCS каждого переданного пакета на основе базового радио-канала распространения. Максимизация пропускной способности ссылки, в канале распространения, который время, отличаясь из-за многопутевого исчезновения или перемещения окружающих объектов, требует динамического изменения MCS. Стандарт IEEE 802.11 не задает стандартизированного алгоритма управления уровня (RCA) для того, чтобы динамически отличаться уровень модуляции. Реализацию RCA оставляют открытой для производителей устройств WLAN. Этот пример использует схему управления уровнем с обратной связью. Рекомендуемый MCS для передачи пакета вычисляется в получателе и доступен в передатчике без любой задержки обратной связи. В действительной системе эта информация была бы передана посредством обмена кадра управления. MCS настроен для каждого последующего пакета в ответ на развивающееся условие канала с шумовой степенью, отличающейся в зависимости от времени.
В этом примере форма волны IEEE 802.11ac™ [1], состоящая из одного пакета формата VHT, сгенерирована с помощью wlanWaveformGenerator. Форма волны передается через канал TGac, и шум добавляется. Пакет синхронизируется и декодируется, чтобы восстановить PSDU. ОСШ оценен и сравнен с порогами, чтобы определить, какой MCS подходит для передачи следующего пакета. Эти данные показывают обработку для каждого пакета.
Передача IEEE 802.11ac VHT моделируется в этом примере. Свойства формы волны VHT заданы в wlanVHTConfig объекте настройки. В этом примере объект первоначально сконфигурирован для пропускной способности канала на 40 МГц, одной антенны передачи и QPSK rate-1/2 (MCS 1). MCS для последующих пакетов изменяется алгоритмом в течение симуляции.
cfgVHT = wlanVHTConfig; cfgVHT.ChannelBandwidth = 'CBW40'; % 40 MHz channel bandwidth cfgVHT.MCS = 1; % QPSK rate-1/2 cfgVHT.APEPLength = 4096; % APEP length in bytes % Set random stream for repeatability of results s = rng(21);
В этом примере модель канала N-LOS TGac используется с Моделью-D профиля задержки. Для Модели-D, когда расстояние между передатчиком и получателем больше, чем или равно 10 метрам, модель является NLOS. Это описано далее в wlanTGacChannel.
tgacChannel = wlanTGacChannel; tgacChannel.DelayProfile = 'Model-D'; tgacChannel.ChannelBandwidth = cfgVHT.ChannelBandwidth; tgacChannel.NumTransmitAntennas = 1; tgacChannel.NumReceiveAntennas = 1; tgacChannel.TransmitReceiveDistance = 20; % Distance in meters for NLOS tgacChannel.RandomStream = 'mt19937ar with seed'; tgacChannel.Seed = 0; % Set the sampling rate for the channel sr = wlanSampleRate(cfgVHT); tgacChannel.SampleRate = sr;
Обычно RCAs используют качество канала или показатели производительности ссылки, такие как ОСШ или пакетный коэффициент ошибок, для выбора уровня. RCA, представленный в этом примере, оценивает ОСШ полученного пакета. На приеме предполагаемый ОСШ сравнен с предопределенным порогом. Если ОСШ превышает предопределенный порог затем, новый MCS выбран для передачи следующего пакета. Средства управления rcaAttack
и rcaRelease
сглаженный уровень изменяются, чтобы не изменять уровни преждевременно. ОСШ должен превысить threshold
+ значение rcaAttack
, чтобы увеличить MCS и должен находиться под threshold
- значение rcaRelease
, чтобы уменьшить MCS. В этой симуляции rcaAttack
и rcaRelease
собираются консервативно увеличить MCS и настойчиво уменьшать его. Для значений threshold
, выбранных для сценария, моделируемого в этом примере, ожидается небольшое количество пакетных ошибок. Эти настройки не могут подойти для других сценариев.
rcaAttack = 1; % Control the sensitivity when MCS is increasing rcaRelease = 0; % Control the sensitivity when MCS is decreasing threshold = [11 14 19 20 25 28 30 31 35]; snrUp = [threshold inf]+rcaAttack; snrDown = [-inf threshold]-rcaRelease; snrInd = cfgVHT.MCS; % Store the start MCS value
В этой симуляции пакеты numPackets
передаются через канал TGac, разделенный установленным временем простоя. Состояние канала сохраняется в течение симуляции, поэтому канал развивается медленно в зависимости от времени. Эта эволюция медленно изменяет получившийся ОСШ, измеренный в получателе. Поскольку канал TGac изменяется очень медленно в зависимости от времени, здесь изменение ОСШ в получателе, видимом по короткой симуляции, может быть обеспечено с помощью параметра walkSNR
, чтобы изменить шумовую степень:
Установка walkSNR
к истине генерирует переменный ОСШ путем случайной установки шумовой степени на пакет во время передачи. ОСШ идет между 14-33 дБ (использование переменных amplitude
и meanSNR
).
Установка walkSNR
ко лжи фиксирует шумовую степень, применился к полученной форме волны, так, чтобы изменения канала были основным источником изменений ОСШ в получателе.
numPackets = 100; % Number of packets transmitted during the simulation walkSNR = true; % Select SNR for the simulation if walkSNR meanSNR = 22; % Mean SNR amplitude = 14; % Variation in SNR around the average mean SNR value % Generate varying SNR values for each transmitted packet baseSNR = sin(linspace(1,10,numPackets))*amplitude+meanSNR; snrWalk = baseSNR(1); % Set the initial SNR value % The maxJump controls the maximum SNR difference between one % packet and the next maxJump = 0.5; else % Fixed mean SNR value for each transmitted packet. All the variability % in SNR comes from a time varying radio channel snrWalk = 22; %#ok<UNRCH> end % To plot the equalized constellation for each spatial stream set % displayConstellation to true displayConstellation = false; if displayConstellation ConstellationDiagram = comm.ConstellationDiagram; %#ok<UNRCH> ConstellationDiagram.ShowGrid = true; ConstellationDiagram.Name = 'Equalized data symbols'; end % Define simulation variables snrMeasured = zeros(1,numPackets); MCS = zeros(1,numPackets); ber = zeros(1,numPackets); packetLength = zeros(1,numPackets);
Выполняющие шаги обработки происходят для каждого пакета:
PSDU создается и кодируется, чтобы создать одну пакетную форму волны.
Установленное время простоя добавляется между последовательными пакетами.
Форма волны передается посредством развития канал TGac.
AWGN добавляется к переданной форме волны, чтобы создать желаемый средний ОСШ на поднесущую.
Эта локальная функция processPacket
передает переданную форму волны через канал TGac, выполняет обработку получателя и оценку ОСШ.
VHT-LTF извлечен от полученной формы волны. VHT-LTF является демодулируемым OFDM, и оценка канала выполняется.
Поле данных VHT извлечено от синхронизируемой полученной формы волны.
Шумовая оценка выполняется с помощью демодулируемых пилотов поля данных и оценки канала единого потока в экспериментальных поднесущих.
Предполагаемый ОСШ для каждого пакета сравнен с порогом, сравнение используется, чтобы настроить MCS для следующего пакета.
PSDU восстанавливается с помощью извлеченного VHT-поля-данных.
Для простоты этот пример принимает:
Фиксированная пропускная способность и настройка антенны для каждого переданного пакета.
Нет никакого явного пакета обратной связи, чтобы сообщить передатчику о предложенной установке MCS для следующего пакета. Пример принимает, что эта информация известна передатчику прежде, чем передать последующий пакет.
Установленное время простоя 0,5 миллисекунд между пакетами.
for numPkt = 1:numPackets if walkSNR % Generate SNR value per packet using random walk algorithm biased % towards the mean SNR snrWalk = 0.9*snrWalk+0.1*baseSNR(numPkt)+rand(1)*maxJump*2-maxJump; end % Generate a single packet waveform txPSDU = randi([0,1],8*cfgVHT.PSDULength,1,'int8'); txWave = wlanWaveformGenerator(txPSDU,cfgVHT,'IdleTime',5e-4); % Receive processing, including SNR estimation y = processPacket(txWave,snrWalk,tgacChannel,cfgVHT); % Plot equalized symbols of data carrying subcarriers if displayConstellation && ~isempty(y.EstimatedSNR) release(ConstellationDiagram); ConstellationDiagram.ReferenceConstellation = wlanReferenceSymbols(cfgVHT); ConstellationDiagram.Title = ['Packet ' int2str(numPkt)]; ConstellationDiagram(y.EqDataSym(:)); drawnow end % Store estimated SNR value for each packet if isempty(y.EstimatedSNR) snrMeasured(1,numPkt) = NaN; else snrMeasured(1,numPkt) = y.EstimatedSNR; end % Determine the length of the packet in seconds including idle time packetLength(numPkt) = y.RxWaveformLength/sr; % Calculate packet error rate (PER) if isempty(y.RxPSDU) % Set the PER of an undetected packet to NaN ber(numPkt) = NaN; else [~,ber(numPkt)] = biterr(y.RxPSDU,txPSDU); end % Compare the estimated SNR to the threshold, and adjust the MCS value % used for the next packet MCS(numPkt) = cfgVHT.MCS; % Store current MCS value increaseMCS = (mean(y.EstimatedSNR) > snrUp((snrInd==0)+snrInd)); decreaseMCS = (mean(y.EstimatedSNR) <= snrDown((snrInd==0)+snrInd)); snrInd = snrInd+increaseMCS-decreaseMCS; cfgVHT.MCS = snrInd-1; end
Этот пример строит изменение MCS, ОСШ, BER и пропускной способности по длительности симуляции.
MCS, используемый, чтобы передать каждый пакет, построен. Когда по сравнению с предполагаемым ОСШ, вы видите, что выбор MCS зависит от предполагаемого ОСШ.
Частота ошибок по битам на пакет зависит от условий канала, ОСШ и MCS, используемого для передачи.
Пропускная способность максимизируется путем варьирования MCS согласно условиям канала. Пропускная способность вычисляется с помощью раздвижного окна трех пакетов. Для каждой построенной точки пропускная способность является количеством битов данных, успешно восстановленных по длительности трех пакетов. Длина раздвижного окна может быть увеличена, чтобы далее сглаживать пропускную способность. Вы видите падения пропускной способности или когда MCS уменьшается или когда пакетная ошибка происходит.
% Display and plot simulation results disp(['Overall data rate: ' num2str(8*cfgVHT.APEPLength*(numPackets-numel(find(ber)))/sum(packetLength)/1e6) ' Mbps']); disp(['Overall packet error rate: ' num2str(numel(find(ber))/numPackets)]); plotResults(ber,packetLength,snrMeasured,MCS,cfgVHT); % Restore default stream rng(s);
Overall data rate: 20.631 Mbps Overall packet error rate: 0.03
Этот пример использует схему управления уровнем с обратной связью, где знание MCS, используемого для последующей пакетной передачи, принято, чтобы быть доступным передатчику.
В этом примере изменением в MCS в зависимости от времени из-за полученного ОСШ управляют threshold
, rcaAttack
и параметры rcaRelease
. rcaAttack
и rcaRelease
используются в качестве средств управления, чтобы сглаживать изменения уровня, это должно постараться не изменять уровни преждевременно. Попытайтесь изменить управление rcaRelease
на два. В этом случае уменьшение в MCS медленнее, чтобы реагировать, когда условия канала не хороши, приводя к более высокому BER.
Попытайтесь установить displayConstellation
на истину в порядке построить компенсируемые символы на полученный пакет, вы видите схему модуляции изменяться в зависимости от времени. Также попробуйте установку walkSNR
ко лжи в порядке визуализировать изменение MCS на пакет. Здесь изменчивость в ОСШ только вызывается радио-каналом, а не комбинацией канала и случайного обхода.
Дальнейшее исследование включает использование альтернативной схемы RCA, более реалистического изменения MCS включая изменяющееся количество потоков времени пробела, пакетного размера и включения STBC для последующих переданных пакетов.
Этот пример использует следующие функции помощника:
Станд. IEEE 802.11ac™-2013 Стандарт IEEE для Информационных технологий - Телекоммуникаций и обмена информацией между системами - Локальными сетями и городскими компьютерными сетями - Конкретными требованиями - Часть 11: Беспроводное Среднее управление доступом (MAC) LAN и Физический уровень (PHY) Спецификации - Поправка 4: Улучшения для Очень Высокой Пропускной способности для Операции в Полосах ниже 6 ГГц.
Следующие локальные функции используются в этом примере:
processPacket
: Добавьте нарушения канала и декодируйте, получают пакет
plotResults
: Постройте результаты симуляции
function Y = processPacket(txWave,snrWalk,tgacChannel,cfgVHT) % Pass the transmitted waveform through the channel, perform % receiver processing, and SNR estimation. chanBW = cfgVHT.ChannelBandwidth; % Channel bandwidth % Set the following parameters to empty for an undetected packet estimatedSNR = []; eqDataSym = []; noiseVarVHT = []; rxPSDU = []; % Get the OFDM info ofdmInfo = wlanVHTOFDMInfo('VHT-Data',cfgVHT); % Pass the waveform through the fading channel model rxWave = tgacChannel(txWave); % Create an instance of the AWGN channel for each transmitted packet awgnChannel = comm.AWGNChannel; awgnChannel.NoiseMethod = 'Signal to noise ratio (SNR)'; % Normalization awgnChannel.SignalPower = 1/tgacChannel.NumReceiveAntennas; % Account for energy in nulls awgnChannel.SNR = snrWalk-10*log10(ofdmInfo.FFTLength/ofdmInfo.NumTones); % Add noise rxWave = awgnChannel(rxWave); rxWaveformLength = size(rxWave,1); % Length of the received waveform % Recover packet ind = wlanFieldIndices(cfgVHT); % Get field indices pktOffset = wlanPacketDetect(rxWave,chanBW); % Detect packet if ~isempty(pktOffset) % If packet detected % Extract the L-LTF field for fine timing synchronization LLTFSearchBuffer = rxWave(pktOffset+(ind.LSTF(1):ind.LSIG(2)),:); % Start index of L-LTF field finePktOffset = wlanSymbolTimingEstimate(LLTFSearchBuffer,chanBW); % Determine final packet offset pktOffset = pktOffset+finePktOffset; if pktOffset<15 % If synchronization successful % Extract VHT-LTF samples from the waveform, demodulate and % perform channel estimation VHTLTF = rxWave(pktOffset+(ind.VHTLTF(1):ind.VHTLTF(2)),:); demodVHTLTF = wlanVHTLTFDemodulate(VHTLTF,cfgVHT); chanEstVHTLTF = wlanVHTLTFChannelEstimate(demodVHTLTF,cfgVHT); % Get single stream channel estimate chanEstSSPilots = vhtSingleStreamChannelEstimate(demodVHTLTF,cfgVHT); % Extract VHT data field vhtdata = rxWave(pktOffset+(ind.VHTData(1):ind.VHTData(2)),:); % Estimate the noise power in VHT data field noiseVarVHT = vhtNoiseEstimate(vhtdata,chanEstSSPilots,cfgVHT); % Recover equalized symbols at data carrying subcarriers using % channel estimates from VHT-LTF [rxPSDU,~,eqDataSym] = wlanVHTDataRecover(vhtdata,chanEstVHTLTF,noiseVarVHT,cfgVHT); % SNR estimation per receive antenna powVHTLTF = mean(VHTLTF.*conj(VHTLTF)); estSigPower = powVHTLTF-noiseVarVHT; estimatedSNR = 10*log10(mean(estSigPower./noiseVarVHT)); end end % Set output Y = struct( ... 'RxPSDU', rxPSDU, ... 'EqDataSym', eqDataSym, ... 'RxWaveformLength', rxWaveformLength, ... 'NoiseVar', noiseVarVHT, ... 'EstimatedSNR', estimatedSNR); end function plotResults(ber,packetLength,snrMeasured,MCS,cfgVHT) % Visualize simulation results figure('Outerposition',[50 50 900 700]) subplot(4,1,1); plot(MCS); xlabel('Packet Number') ylabel('MCS') title('MCS selected for transmission') subplot(4,1,2); plot(snrMeasured); xlabel('Packet Number') ylabel('SNR') title('Estimated SNR') subplot(4,1,3); plot(find(ber==0),ber(ber==0),'x') hold on; stem(find(ber>0),ber(ber>0),'or') if any(ber) legend('Successful decode','Unsuccessful decode') else legend('Successful decode') end xlabel('Packet Number') ylabel('BER') title('Instantaneous bit error rate per packet') subplot(4,1,4); windowLength = 3; % Length of the averaging window movDataRate = movsum(8*cfgVHT.APEPLength.*(ber==0),windowLength)./movsum(packetLength,windowLength)/1e6; plot(movDataRate) xlabel('Packet Number') ylabel('Mbps') title(sprintf('Throughput over last %d packets',windowLength)) end