Введение

Стандарт IEEE 802.11ad [1] определяет формат направленной передачи с частотой 60 ГГц (DMG). Для преодоления больших потерь в тракте при частоте 60 ГГц стандарт IEEE 802.11ad предназначен для поддержки направленного формирования луча. С помощью фазированных антенных решеток можно применить вектор веса антенны (AWV) для фокусировки диаграммы направленности антенны в нужном направлении. Каждый пакет передается по всем элементам матрицы, но AWV применяет фазовый сдвиг к каждому элементу для управления передачей. Качество линии связи может быть улучшено путем добавления дополнительных обучающих полей к пакетам DMG и тестирования различных AWV в передатчике или приемнике. Этот процесс называется уточнением балки.

Пакет DMG состоит из следующих полей:

Поля STF и CE образуют преамбулу. Поля преамбулы, заголовка и данных пакета DMG передаются с тем же AWV. Для обучения уточнению луча передатчика к пакету может быть добавлено до 64 подполей обучения (TRN). Каждое подполе TRN передается с использованием различных AWV. Это позволяет измерять производительность до 64 различных AWV, а AWV для полей преамбулы, заголовка и данных уточнять для последующих передач. Подполя CE периодически передаются, по одному на каждые четыре подполя TRN, среди подполя TRN. Каждое подполе CE передается с использованием того же AWV, что и преамбула. Чтобы позволить приемнику реконфигурировать АРУ перед приемом субполей ТРН, субполям ТРН предшествуют субполя АРУ. Для каждого подполя TRN передается подполе AGC с использованием того же AWV, что и для отдельного подполя TRN. Это позволяет установить коэффициент усиления в приемнике, подходящий для измерения всех подполей TRN. На диаграмме ниже показана структура пакетов с четырьмя субполями AGC и TRN, пронумерованными и выделенными. Таким образом, в рамках уточнения луча испытываются четыре СПА. Одни и те же AWV применяются к субполям AGC и TRN с одним и тем же номером.

В этом примере имитируется обучение передатчика путем применения различных AWV к каждому из подполей обучения для управления передачей в нескольких направлениях. Сила каждого тренировочного подполя оценивается в приемнике путем оценки волны плоскости дальнего поля, чтобы определить, какая передача AWV является оптимальной. Это моделирование не включает потери канала или тракта.

В этом примере требуется панель инструментов WLAN и панель инструментов системы с поэтапным массивом.

Спецификация формы сигнала

Форма сигнала конфигурируется для передачи пакета DMG с физическим уровнем мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), 100-байтовым блоком служебных данных физического уровня (PSDU) и четырьмя подполями обучения передатчика. Четыре учебных подраздела позволяют проводить испытания четырех AWV для уточнения луча. Использование функции wlanDMGConfig(Панель инструментов WLAN), создайте объект конфигурации DMG. Объект конфигурации DMG определяет параметры передачи.

dmg = wlanDMGConfig;
dmg.MCS = 13;             % OFDM
dmg.TrainingLength = 4;   % Use 4 training subfields
dmg.PacketType = 'TRN-T'; % Transmitter training
dmg.PSDULength = 100;     % Bytes

Спецификация формирования луча

Антенная диаграмма передатчика выполнена в виде 16-элементной однородной линейной решетки с интервалом в половину длины волны. Использование объектов phased.ULA и phased.SteeringVector, создайте фазированный массив и AWV. Местоположение приемника для оценки передачи определяется как смещение от визирования передатчика.

receiverAz = 6; % Degrees off the transmitter's boresight

Для управления трансмиссией создается однородная линейная фазированная решетка с 16 элементами.

N = 16;                      % Number of elements
c = physconst('LightSpeed'); % Propagation speed (m/s)
fc = 60.48e9;                % Center frequency (Hz)
lambda = c/fc;               % Wavelength (m)
d = lambda/2;                % Antenna element spacing (m)
TxArray = phased.ULA('NumElements',N,'ElementSpacing',d);

AWV создаются с помощью phased.SteeringVector объект. Для создания пяти AWV определены пять углов поворота, по одному для полей преамбулы и данных и по одному для каждого из четырех полей обучения. Преамбула и поля данных передаются в поле прямой видимости. Четыре обучающих подполя передаются под углами вокруг границы визирования.

% Create a directional steering vector object
SteeringVector = phased.SteeringVector('SensorArray',TxArray);

% The directional angle for the preamble and data is 0 degrees azimuth, no
% elevation, therefore at boresight. [Azimuth; Elevation]
preambleDataAngle = [0; 0];

% Each of the four training fields uses a different set of weights to steer
% to a slightly different direction. [Azimuth; Elevation]
trnAngle = [[-10; 0] [-5; 0] [5; 0] [10; 0]];

% Generate the weights for all of the angles
weights = SteeringVector(fc,[preambleDataAngle trnAngle]);

% Each row of the AWV is a weight to apply to a different antenna element
preambleDataAWV = conj(weights(:,1)); % AWV used for preamble, data and CE fields
trnAWV = conj(weights(:,2:end));      % AWV used for each TRN subfield

С помощью функции plotArrayResponse helper ответ массива показывает, что направление приемника в наибольшей степени совпадает с направлением TRN-SF3 обучающего подполя.

plotArrayResponse(TxArray,receiverAz,fc,weights);

Генерация сигнала основной полосы частот

Используйте сконфигурированный объект DMG и PSDU, заполненный случайными данными, в качестве входных данных для генератора формы сигнала. wlanWaveformGenerator(Панель инструментов WLAN). Генератор формы сигнала модулирует биты PSDU в соответствии с конфигурацией формата, а также выполняет ОМЧР-оконную обработку.

% Create a PSDU of random bits
s = rng(0); % Set random seed for repeatable results
psdu = randi([0 1],dmg.PSDULength*8,1);

% Generate packet
tx = wlanWaveformGenerator(psdu,dmg);

Применение весовых векторов к каждому полю

A phased.Radiator создается объект для применения AWV к форме сигнала, объединения излучаемого сигнала от каждого элемента для формирования плоской волны и определения плоской волны под интересующим углом, receiverAz. Каждая часть сигнала DMG tx проходит через радиатор с заданным набором AWV и углом, под которым оценивается плоская волна.

Radiator = phased.Radiator;
Radiator.Sensor = TxArray;        % Use the uniform linear array
Radiator.WeightsInputPort = true; % Provide AWV as argument
Radiator.OperatingFrequency = fc; % Frequency in Hertz
Radiator.CombineRadiatedSignals = true; % Create plane wave

% The plane wave is evaluated at a direction relative to the radiator
steerAngle = [receiverAz; 0]; % [Azimuth; Elevation]

% The beamformed waveform is evaluated as a plane wave at the receiver
planeWave = zeros(size(tx));

% Get indices for fields
ind = wlanFieldIndices(dmg);

% Get the plane wave while applying the AWV to the preamble, header, and data
idx = (1:ind.DMGData(2));
planeWave(idx) = Radiator(tx(idx),steerAngle,preambleDataAWV);

% Get the plane wave while applying the AWV to the AGC and TRN subfields
for i = 1:dmg.TrainingLength
    % AGC subfields
    agcsfIdx = ind.DMGAGCSubfields(i,1):ind.DMGAGCSubfields(i,2);
    planeWave(agcsfIdx) = Radiator(tx(agcsfIdx),steerAngle,trnAWV(:,i));
    % TRN subfields
    trnsfIdx = ind.DMGTRNSubfields(i,1):ind.DMGTRNSubfields(i,2);
    planeWave(trnsfIdx) = Radiator(tx(trnsfIdx),steerAngle,trnAWV(:,i));
end

% Get the plane wave while applying the AWV to the TRN-CE
for i = 1:dmg.TrainingLength/4
    trnceIdx = ind.DMGTRNCE(i,1):ind.DMGTRNCE(i,2);
    planeWave(trnceIdx) = Radiator(tx(trnceIdx),steerAngle,preambleDataAWV);
end

Оценка формы волны в виде луча

Вспомогательная функция plotDMGWaveform строит график величины формируемой лучом плоской волны. При оценке величины формируемой лучом плоской волны можно видеть, что формируемые лучом поля в направлении приемника сильнее других полей.

plotDMGWaveform(planeWave,dmg,'Beamformed Plane Wave with Fields Highlighted');

rng(s); % Restore random state

Заключение

В этом примере показано, как генерировать сигнал IEEE 802.11ad DMG и применять AWV к различным частям сигнала. Инструментарий WLAN использовался для генерации стандартной совместимой формы сигнала, а инструментарий системы фазированной матрицы использовался для применения AWV и оценки величины результирующей плоской волны в направлении приемника.

Приложение

В этом примере используются следующие вспомогательные функции:

Избранная библиография