Введение

Передайте энергию особого внимания beamforming к получателю, чтобы улучшить ОСШ ссылки. В этой схеме передатчик называется формирователем луча, и получатель называется beamformee. Держащаяся матрица используется формирователем луча, чтобы направить энергию к beamformee. Держащаяся матрица вычисляется с помощью информации о состоянии канала, полученной посредством измерений канала. В IEEE 802.11ac [1] эти измерения получены путем звучания каналом между формирователем луча и beamformee. Чтобы звучать как канал, формирователь луча отправляет NDP (Пустой Пакет Данных) к beamformee. beamformee использует информацию о канале, предоставленную путем звучания, чтобы вычислить матрицу обратной связи. Эта матрица возвращена к формирователю луча в сжатом формате. Формирователь луча может затем использовать матрицу обратной связи, чтобы создать держащуюся матрицу и передачи beamform к beamformee. Процесс формирования держащейся матрицы показывают в схеме ниже.

В IEEE 802.11ac отдельный пользователь beamformee возможность не обязателен. Поэтому передатчику мультиантенны, вероятно, придется использовать различную схему передать пакеты к получателю, который не может действовать как beamformee. Одна такая схема является пространственным расширением. Пространственное расширение позволяет многим пространственно-временным потокам быть переданными на большем количестве антенн передачи. Используя пространственное расширение может обеспечить маленькое усиление разнообразия передачи в каналах с плоским исчезновением когда по сравнению с прямым отображением пространственно-временных потоков, чтобы передать антенны [2].

В этом примере 4x2 настройка MIMO рассматривается между передатчиком и получателем с двумя пространственно-временными потоками, используемыми в пакетной передаче данных. Сначала сценарий получателя, который не способен к тому, чтобы быть beamformee, рассматривается. Передача сделана с помощью пространственного расширения, и символы данных восстанавливаются и измеренное качество сигнала. Показать преимущества передачи beamforming пакет данных затем передается по той же реализации канала, но на этот раз с помощью передачи beamforming. Производительность этих двух схем затем сравнена. Эти этапы показывают в схеме ниже.

Настройка формы волны

4x2 настройка MIMO используется в этом примере с 2 пространственно-временными потоками.

NumTxAnts = 4;  % Number of transmit antennas
NumSTS = 2;     % Number of space-time streams
NumRxAnts = 2;  % Number of receive antennas

Формат определенная настройка формы волны VHT описан с помощью объекта настройки формата VHT. В этом примере форма волны сконфигурирована с пропускной способностью на 20 МГц и настройкой MIMO, заданной выше.

cfgVHT = wlanVHTConfig;
cfgVHT.ChannelBandwidth = 'CBW20';
cfgVHT.APEPLength = 4000;
cfgVHT.NumTransmitAntennas = NumTxAnts;
cfgVHT.NumSpaceTimeStreams = NumSTS;
cfgVHT.MCS = 4; % 16-QAM, rate 3/4

Настройка канала

В этом примере модель канала TGac используется с Моделью-B профиля задержки. Реализацией канала управляют с seed, чтобы позволить воспроизводимость.

tgacChannel = wlanTGacChannel;
tgacChannel.DelayProfile = 'Model-B';
tgacChannel.ChannelBandwidth = cfgVHT.ChannelBandwidth;
tgacChannel.SampleRate = wlanSampleRate(cfgVHT);
tgacChannel.NumReceiveAntennas = NumRxAnts;
tgacChannel.NumTransmitAntennas = NumTxAnts;
tgacChannel.TransmitReceiveDistance = 100; % Meters
tgacChannel.RandomStream = 'mt19937ar with seed';
tgacChannel.Seed = 70; % Seed to allow repeatability

Шум добавляется к форме волны области времени при выходе канала со степенью, noisePower.

noisePower = -37; % dBW

Setup другие объекты и переменные для симуляции.

% Indices for extracting fields
ind = wlanFieldIndices(cfgVHT);

% AWGN channel to add noise with a specified noise power. The random
% process controlling noise generation is seeded to allow repeatability.
awgnChannel = comm.AWGNChannel;
awgnChannel.RandomStream = 'mt19937ar with seed';
awgnChannel.Seed = 5;
awgnChannel.NoiseMethod = 'Variance';
awgnChannel.Variance = 10^(noisePower/10);

% Calculate the expected noise variance after OFDM demodulation
noiseVar = vhtBeamformingNoiseVariance(noisePower,cfgVHT);

% Number of spatial streams
Nss = NumSTS/(cfgVHT.STBC+1);

% Get the number of occupied subcarriers in VHT fields
ofdmInfo = wlanVHTOFDMInfo('VHT-Data',cfgVHT);
Nst = ofdmInfo.NumTones;

% Generate a random PSDU which will be transmitted
rng(0); % Set random state for repeatability
psdu = randi([0 1],cfgVHT.PSDULength*8,1);

Передача с пространственным расширением

Сначала передача сделана с помощью пространственного расширения. Этот тип передачи может быть сделан передатчиком мультиантенны к получателю, который не способен к тому, чтобы быть beamformee. SpatialMapping свойство объекта настройки формата позволяет различным пространственным схемам отображения быть выбранными. В этом примере пример используется пространственная матрица расширения, обеспеченная в Разделе 2.3.11.1.1.2 из [3]. Поэтому 'Custom' пространственное отображение сконфигурировано. Пользовательская пространственная матрица отображения используется путем присвоения SpatialMappingMatrix из объекта настройки формата. Эта матрица описывает отображение каждой поднесущей для каждого пространственно-временного потока ко всем антеннам передачи. Поэтому размером пространственной используемой матрицы отображения является Nst-by-Nsts-by-Nt. Nst количество занятых поднесущих, Nsts количество пространственно-временных потоков и Nt количество антенн передачи. Пространственная матрица отображения копирует некоторые пространственно-временные потоки, чтобы сформировать желаемое количество потоков передачи.

% Configure a spatial expansion transmission
vhtSE = cfgVHT;
vhtSE.SpatialMapping = 'Custom'; % Use custom spatial expansion matrix
vhtSE.SpatialMappingMatrix = helperSpatialExpansionMatrix(vhtSE);

% Generate waveform
tx = wlanWaveformGenerator(psdu,vhtSE);

% Pass waveform through a fading channel and add noise. Trailing zeros
% are added to allow for channel filter delay.
rx = tgacChannel([tx; zeros(15,NumTxAnts)]);
% Allow same channel realization to be used subsequently
reset(tgacChannel);
rx = awgnChannel(rx);
% Allow same noise realization to be used subsequently
reset(awgnChannel);

% Estimate symbol timing
tOff = wlanSymbolTimingEstimate(rx(ind.LSTF(1):ind.LSIG(2),:),vhtSE.ChannelBandwidth);

% Channel estimation
vhtltf = rx(tOff+(ind.VHTLTF(1):ind.VHTLTF(2)),:);
vhtltfDemod = wlanVHTLTFDemodulate(vhtltf,vhtSE);
chanEstSE = wlanVHTLTFChannelEstimate(vhtltfDemod,vhtSE);

Полученное поле данных демодулируется и компенсируется, чтобы восстановить символы OFDM для каждого пространственного потока.

% Demodulate and equalize the data
vhtdata = rx(tOff+(ind.VHTData(1):ind.VHTData(2)),:);
[~,~,symSE] = wlanVHTDataRecover(vhtdata,chanEstSE,noiseVar,vhtSE,...
    'PilotPhaseTracking','None');

Созвездие каждого пространственного потока построено ниже.

refSym = wlanReferenceSymbols(cfgVHT); % Reference constellation
seConst = vhtBeamformingPlotConstellation(symSE,refSym, ...
    'Spatial Expansion Transmission Equalized Symbols');

Отклонение в созвездии является приблизительно тем же самым для каждого пространственного потока, когда SNRs являются приблизительно тем же самым. Это вызвано тем, что средняя степень в канале является в среднем приблизительно тем же самым на пространственно-временной поток:

disp('Mean received channel power per space-time stream with spatial expansion: ')
for i = 1:NumSTS
    fprintf('  Space-time stream %d: %2.2f W\n',i, ...
        sum(mean(chanEstSE(:,i,:).*conj(chanEstSE(:,i,:)),1),3))
end

Mean received channel power per space-time stream with spatial expansion: 
  Space-time stream 1: 0.73 W
  Space-time stream 2: 0.50 W

Передача с Beamforming

Когда получатель способен к тому, чтобы быть beamformee, beamformed передача может создать более высокий ОСШ по сравнению с пространственным расширением. Мы теперь покажем преимущество имения в наличии информации о состоянии канала, чтобы создать и использовать держащуюся матрицу. Чтобы вычислить beamforming держащаяся матрица, NDP передается через канал. 'Direct' пространственное отображение используется в передаче NDP, и количество пространственно-временных потоков сконфигурировано, чтобы совпадать с количеством антенн передачи. Это позволяет VHT-LTF использоваться, чтобы звучать как каналы между каждой из антенн передачи и получить антенны. Расчетная beamforming матрица затем используется к beamform передача через канал. Та же реализация канала используется в звучании и передаче данных и нет никакого сжатия обратной связи между beamformee и формирователем луча, поэтому beamforming может рассматриваться как совершенный в этом примере.

% Configure a sounding packet
vhtSound = cfgVHT;
vhtSound.APEPLength = 0; % NDP so no data
vhtSound.NumSpaceTimeStreams = NumTxAnts;
vhtSound.SpatialMapping = 'Direct'; % Each TxAnt carries a STS

% Generate sounding waveform
soundingPSDU = [];
tx = wlanWaveformGenerator(soundingPSDU,vhtSound);

% Pass sounding waveform through the channel and add noise. Trailing zeros
% are added to allow for channel filter delay.
rx = tgacChannel([tx; zeros(15,NumTxAnts)]);
% Allow same channel realization to be used subsequently
reset(tgacChannel);
rx = awgnChannel(rx);
% Allow same noise realization to be used subsequently
reset(awgnChannel);

% Estimate symbol timing
tOff = wlanSymbolTimingEstimate(rx(ind.LSTF(1):ind.LSIG(2),:),vhtSound.ChannelBandwidth);

Оценка канала выполняется с помощью звучащего пакета, чтобы оценить фактический ответ канала между каждой передачей и получить антенну.

% Channel estimation
vhtLLTFInd = wlanFieldIndices(vhtSound,'VHT-LTF');
vhtltf = rx(tOff+(vhtLLTFInd(1):vhtLLTFInd(2)),:);
vhtltfDemod = wlanVHTLTFDemodulate(vhtltf,vhtSound);
chanEstSound = wlanVHTLTFChannelEstimate(vhtltfDemod,vhtSound);

Канал оценил, что использование wlanVHTLTFChannelEstimate включает циклические сдвиги, примененные в передатчик к каждому пространственно-временному потоку. Чтобы вычислить beamforming держащаяся матрица, циклические сдвиги, примененные в передатчике, удалены из оценки канала.

% Remove impact of cyclic shift from channel estimate
chanEstSound = vhtBeamformingRemoveCSD(chanEstSound, ...
    vhtSound.ChannelBandwidth,vhtSound.NumSpaceTimeStreams);

В этом примере beamforming держащаяся матрица вычисляется с помощью сингулярного разложения (SVD) [3]. SVD матрицы канала приводит к двум унитарным матрицам, U и V, и диагональная матрица сингулярных значений S. Первый NumSTS столбцы V на поднесущую используются в качестве beamforming держащаяся матрица. SVD вычисляется с помощью функции svd.

chanEstPerm = permute(chanEstSound,[3 2 1]); % permute to Nr-by-Nt-by-Nst
V = zeros(Nst,NumTxAnts,NumRxAnts);
for i = 1:Nst
    [U,S,V(i,:,:)] = svd(chanEstPerm(:,:,i),'econ');
end
steeringMatrix = V(:,:,1:NumSTS); % Nst-by-Nt-by-Nsts

beamforming, регулирующий матрицу, вычисленную выше, применяется как пользовательская пространственная матрица отображения и используется, чтобы отправить данные через тот же канал.

% Configure a transmission with beamforming
vhtBF = cfgVHT;
vhtBF.SpatialMapping = 'Custom';
% Permute steering matrix to Nst-by-Nsts-by-Nt
vhtBF.SpatialMappingMatrix = permute(steeringMatrix,[1 3 2]);

% Generate beamformed data transmission
tx = wlanWaveformGenerator(psdu,vhtBF);

% Pass through the channel and add noise. Trailing zeros
% are added to allow for channel filter delay.
rx = tgacChannel([tx; zeros(15,NumTxAnts)]);
rx = awgnChannel(rx);

% Estimate symbol timing
tOff = wlanSymbolTimingEstimate(rx(ind.LSTF(1):ind.LSIG(2),:),vhtBF.ChannelBandwidth);

% Channel estimation
vhtltf = rx(tOff+(ind.VHTLTF(1):ind.VHTLTF(2)),:);
vhtltfDemod = wlanVHTLTFDemodulate(vhtltf,vhtBF);
chanEstBF = wlanVHTLTFChannelEstimate(vhtltfDemod,vhtBF);

Полученное поле данных демодулируется и компенсируется, чтобы восстановить символы OFDM для каждого пространственного потока.

% Demodulate and equalize the data
vhtdata = rx(tOff+(ind.VHTData(1):ind.VHTData(2)),:);
[~,~,symBF] = wlanVHTDataRecover(vhtdata,chanEstBF,noiseVar,vhtBF,...
    'PilotPhaseTracking','None');

Компенсируемое созвездие для каждого пространственного потока построено ниже. Обратите внимание на то, что высший порядок пространственный поток имеет большее отклонение. Это происходит из-за упорядоченных сингулярных значений каналов, используемых в SVD beamforming.

bfConst = vhtBeamformingPlotConstellation(symBF,refSym, ...
    'Beamformed Transmission Equalized Symbols');

Это упорядоченное расположение также отображается в средней степени полученных пространственно-временных потоков. Степень полученного первого пространственно-временного потока больше, чем второй пространственно-временной поток. Это вызвано тем, что полученная сила сигнала является функцией сингулярных значений канала, который SVD заказывает уменьшающимся способом.

disp('Mean received channel power per space-time stream with SVD transmit beamforming: ')
for i = 1:NumSTS
    fprintf('  Space-time stream %d: %2.2f W\n',i, ...
        sum(mean(chanEstBF(:,i,:).*conj(chanEstBF(:,i,:)),1),3))
end

Mean received channel power per space-time stream with SVD transmit beamforming: 
  Space-time stream 1: 2.08 W
  Space-time stream 2: 0.45 W

Сравнение и заключение

Фигура ниже строит компенсируемое созвездие от пространственного расширения и beamformed передач для всех пространственных потоков. Отметьте улучшенное созвездие с помощью основанной на SVD передачи beamforming.

str = sprintf('%dx%d',NumTxAnts,NumRxAnts);
compConst = vhtBeamformingPlotConstellation([symSE(:) symBF(:)],refSym, ...
    'Beamformed Transmission Equalized Symbols', ...
    {[str ' Spatial Expansion'],[str ' Transmit Beamforming']});

Улучшение может также быть измерено через RMS и величину вектора максимальной погрешности (EVM). EVM является мерой демодулируемого качества сигнала.

EVM = comm.EVM;
EVM.AveragingDimensions = [1 2]; % Average over all subcarriers and symbols
EVM.MaximumEVMOutputPort = true;
EVM.ReferenceSignalSource  = 'Estimated from reference constellation';
EVM.ReferenceConstellation = refSym;

[rmsEVMSE,maxEVMSE] = EVM(symSE); % EVM using spatial expansion
[rmsEVMBF,maxEVMBF] = EVM(symBF); % EVM using beamforming

for i = 1:Nss
    fprintf(['Spatial stream %d EVM:\n' ...
        '  Spatial expansion:    %2.1f%% RMS, %2.1f%% max\n' ...
        '  Transmit beamforming: %2.1f%% RMS, %2.1f%% max\n'], ...
        i,rmsEVMSE(i),maxEVMSE(i),rmsEVMBF(i),maxEVMBF(i));
end

Spatial stream 1 EVM:
  Spatial expansion:    9.2% RMS, 44.8% max
  Transmit beamforming: 2.0% RMS, 8.6% max
Spatial stream 2 EVM:
  Spatial expansion:    9.2% RMS, 52.3% max
  Transmit beamforming: 4.1% RMS, 12.7% max

Этот пример демонстрирует, что, если получатель способен к тому, чтобы быть beamformee, ОСШ может потенциально быть улучшен, когда передача является beamformed по сравнению с пространственной передачей расширения. Увеличение мощности приемника при использовании beamforming может привести к более надежной демодуляции или потенциально даже схеме модуляции и кодирования высшего порядка использоваться в передаче.

В реалистической операционной симуляции производительность beamforming была бы ухудшена из-за задержки между вычислением информации о состоянии канала и обратной связью квантованием обратной связи и beamformee. Для получения дополнительной информации см. [2].

Приложение

Этот пример использует следующие функции помощника:

Выбранная библиография