Симуляция вероятности битовой ошибки Bluetooth с низкой энергией

В этом примере показано, как библиотека Communications Toolbox™ для протокола Bluetooth ® может использоваться, чтобы измерить вероятность битовой ошибки (BER) для различных режимов Bluetooth Low Energy (BLE) [1] с помощью сквозной симуляции физического слоя.

Введение

В этом примере сквозная симуляция используется, чтобы определить эффективность BER BLE [1] в аддитивном канале белого гауссова шума (AWGN) для области значений значений отношения битовой энергии к шумовой плотности (Eb/No). В каждой точке Eb/No несколько пакетов BLE передаются через шумный канал без каких-либо других нарушений переднего радиочастотного канала (RF). Принимая совершенную синхронизацию, идеальный приемник используется, чтобы восстановить биты данных. Эти восстановленные биты данных сравниваются с передаваемыми данными битами для определения BER. Кривые BER генерируются для четырех режимов пропускной способности передачи PHY, поддерживаемых в спецификации BLE [1], следующим образом:

  • Незакодированный PHY со скоростью передачи данных 1 Мбит/с (LE1M)

  • Незакодированный PHY со скоростью передачи данных 2 Мбит/с (LE2M)

  • Закодированный PHY со скоростью передачи данных 500 Кбит/с (LE500K)

  • Закодированный PHY со скоростью передачи данных 125 Кбит/с (LE125K)

Следующая схема суммирует симуляцию для каждого пакета.

Проверка на установку пакета поддержки

% Check if the 'Communications Toolbox Library for the Bluetooth Protocol'
% support package is installed or not.
commSupportPackageCheck('BLUETOOTH');

Инициализируйте параметры симуляции

EbNo = -2:2:8;                        % Eb/No range in dB
sps = 4;                              % Samples per symbol
dataLen = 2080;                       % Data length in bits
simMode = {'LE1M','LE2M','LE500K','LE125K'};

Количество пакетов, протестированных в каждой точке Eb/No, управляется двумя параметрами:

  1. maxNumErrors - максимальное количество битовых ошибок, моделируемых в каждой точке Eb/No. Когда количество битовых ошибок достигает этого предела, симуляция в этой точке Eb/No завершена.

  2. maxNumPackets является максимальным количеством пакетов, моделируемых в каждой точке Eb/No, и ограничивает длину симуляции, если не достигнут предел битовой ошибки.

Номера, выбранные для maxNumErrors и maxNumPackets в этом примере приведет к очень короткой симуляции. Для статистически значимых результатов мы рекомендуем увеличить эти цифры.

maxNumErrors = 100; % Maximum number of bit errors at an Eb/No point
maxNumPackets = 10; % Maximum number of packets at an Eb/No point

Симуляция для каждой точки Eb/No

Этот пример также демонстрирует, как parfor цикл может использоваться вместо for цикл при симуляции каждой точки Eb/No для ускорения симуляции. parfor, как часть Parallel Computing Toolbox, выполняет обработку для каждой точки Eb/No параллельно, чтобы уменьшить общее время симуляции. Чтобы обеспечить возможность использования параллельных вычислений для повышения скорости, закомментируйте оператора for и раскомментируйте оператора parfor ниже. Если Parallel Computing Toolbox™ не установлен, оператор 'parfor' по умолчанию равен normal 'for'.

numMode = numel(simMode);          % Number of modes
ber = zeros(numMode,length(EbNo)); % Pre-allocate to store BER results

for iMode = 1:numMode

    phyMode = simMode{iMode};
    % Set signal to noise ratio (SNR) points based on mode
    % For Coded PHY's (LE500K and LE125K), the code rate factor is included
    % in SNR calculation as 1/2 rate FEC encoder is used.
    if any(strcmp(phyMode,{'LE1M','LE2M'}))
        snrVec = EbNo - 10*log10(sps);
    else
        codeRate = 1/2;
        snrVec = EbNo + 10*log10(codeRate) - 10*log10(sps);
    end

%     parfor iSnr = 1:length(snrVec)  % Use 'parfor' to speed up the simulation
    for iSnr = 1:length(snrVec)       % Use 'for' to debug the simulation

        % Set random substream index per iteration to ensure that each
        % iteration uses a repeatable set of random numbers
        stream = RandStream('combRecursive','Seed',0);
        stream.Substream = iSnr;
        RandStream.setGlobalStream(stream);

        % Create an instance of error rate
        errorRate = comm.ErrorRate('Samples','Custom','CustomSamples',1:(dataLen-1));

        % Loop to simulate multiple packets
        numErrs = 0;
        numPkt = 1; % Index of packet transmitted
        while numErrs < maxNumErrors && numPkt < maxNumPackets

            % Generate BLE waveform
            txBits = randi([0 1],dataLen,1,'int8'); % Data bits generation
            chanIndex = randi([0 39],1,1); % Random channel index value for each packet
            if chanIndex <=36
                % Random access address for data channels
                % Ideally, this access address value should meet the requirements specified in
                % Section 2.1.2, Part-B, Vol-6 of Bluetooth specification.
                accessAdd = [1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 ...
                          0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0]';
            else
                % Default access address for periodic advertising channels
                accessAdd = [0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 ...
                            1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1]';
            end
            txWaveform = bleWaveformGenerator(txBits,'Mode',phyMode,...
                                            'SamplesPerSymbol',sps,...
                                            'ChannelIndex',chanIndex,...
                                            'AccessAddress',accessAdd);

            % Pass the transmitted waveform through AWGN channel
            rxWaveform = awgn(txWaveform,snrVec(iSnr));

            % Recover data bits using ideal receiver
            rxBits = bleIdealReceiver(rxWaveform,'Mode',phyMode,...
                                        'SamplesPerSymbol',sps,...
                                        'ChannelIndex',chanIndex);

            % Determine the BER
            errors = errorRate(txBits,rxBits);
            ber(iMode,iSnr) = errors(1);
            numErrs = errors(2);
            numPkt = numPkt + 1;
        end
    disp(['Mode ' phyMode ', '...
        'Simulating for Eb/No = ', num2str(EbNo(iSnr)), ' dB' ', '...
        'BER:',num2str(ber(iMode,iSnr))])
    end
end
Mode LE1M, Simulating for Eb/No = -2 dB, BER:0.22222
Mode LE1M, Simulating for Eb/No = 0 dB, BER:0.14622
Mode LE1M, Simulating for Eb/No = 2 dB, BER:0.087542
Mode LE1M, Simulating for Eb/No = 4 dB, BER:0.024531
Mode LE1M, Simulating for Eb/No = 6 dB, BER:0.0080167
Mode LE1M, Simulating for Eb/No = 8 dB, BER:0.00010689
Mode LE2M, Simulating for Eb/No = -2 dB, BER:0.23377
Mode LE2M, Simulating for Eb/No = 0 dB, BER:0.16306
Mode LE2M, Simulating for Eb/No = 2 dB, BER:0.074074
Mode LE2M, Simulating for Eb/No = 4 dB, BER:0.022126
Mode LE2M, Simulating for Eb/No = 6 dB, BER:0.0063733
Mode LE2M, Simulating for Eb/No = 8 dB, BER:0.00053444
Mode LE500K, Simulating for Eb/No = -2 dB, BER:0.37326
Mode LE500K, Simulating for Eb/No = 0 dB, BER:0.27898
Mode LE500K, Simulating for Eb/No = 2 dB, BER:0.12266
Mode LE500K, Simulating for Eb/No = 4 dB, BER:0.032708
Mode LE500K, Simulating for Eb/No = 6 dB, BER:0.0017637
Mode LE500K, Simulating for Eb/No = 8 dB, BER:0
Mode LE125K, Simulating for Eb/No = -2 dB, BER:0.30736
Mode LE125K, Simulating for Eb/No = 0 dB, BER:0.065897
Mode LE125K, Simulating for Eb/No = 2 dB, BER:0.0013361
Mode LE125K, Simulating for Eb/No = 4 dB, BER:0
Mode LE125K, Simulating for Eb/No = 6 dB, BER:0
Mode LE125K, Simulating for Eb/No = 8 dB, BER:0

График BER по сравнению с Eb/нет результатов

markers = 'ox*s';
color = 'bmcr';
dataStr = {zeros(numMode,1)};
figure;
for iMode = 1:numMode
    semilogy(EbNo,ber(iMode,:).',['-' markers(iMode) color(iMode)]);
    hold on;
    dataStr(iMode) = simMode(iMode);
end
grid on;
xlabel('Eb/No (dB)');
ylabel('BER');
legend(dataStr);
title('BER for BLE with AWGN channel');

Дальнейшие исследования

Количество пакетов, протестированных в каждой точке Eb/No, управляется maxNumErrors и maxNumPackets параметры. Для статистически значимых результатов эти значения должны быть больше, чем те, которые представлены в этом примере. Рисунок ниже был создан путем выполнения примера дольше с maxNumErrors = 1e3, maxNumPackets = 1e4, для всех четырех режимов.

Сводные данные

Этот пример моделирует ссылку физического слоя BLE по каналу AWGN. Он показывает, как сгенерировать формы сигналов BLE, демодулировать и декодировать биты с помощью идеального приемника и вычислить BER.

Избранная библиография

  1. Том 6 спецификации ядра Bluetooth версии 5.0 Core System Package [Low Energy Controller Volume].

Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте