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, 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(Панель инструментов системы фазированных массивов) и phased.SteeringVector (Phased Array System Toolbox), 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 (Поэтапная панель инструментов системы массива). 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. 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 Объект (Phased Array System Toolbox) создается 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