Этот пример показывает, как измерить частоту ошибок пакета формируемого лучом канала формата IEEE ® 802.11ax™ высокой эффективностью для одного пользователя (HE SU) с различными уровнями квантования обратной связи формирования луча.
Формирование луча передачи фокусирует энергию на приемнике, чтобы улучшить ОСШ ссылки. В этой схеме передатчик называется beamformer, а приемник - beamformee. Матрица управления используется параметром формирования луча, чтобы направить энергию на объект формирования луча. Матрица управления вычисляется с использованием информации о состоянии канала, полученной посредством измерений канала. Эти измерения получаются путем зондирования канала между лучевым форматором и лучевым формеем. Для звукового сигнала канала устройство формирования луча отправляет пакет нулевых данных (NDP) в beamformee. Beamformee измеряет информацию канала во время звучания, чтобы вычислить матрицу обратной связи. Эту матрицу сжимают в виде квантованных углов (phi и psi) и подают обратно в устройство формирования луча. Затем устройство формирования луча может вычислить матрицу обратной связи из квантованных углов, чтобы создать управляющую матрицу и передачи формы луча к блоку формирования луча. Процесс формирования матрицы управления показан в 802.11ac Transmit Beamforming.
В этом примере рассматривается строение MIMO 4x2 между передатчиком и приемником с двумя пространственно-временными потоками, используемыми для каждой передачи пакета данных. Сквозная симуляция используется, чтобы определить частоту ошибок пакета (PER) для канала форматирования [1] одного пользователя (SU) 802.11ax со сжатым квантованием обратной связи формирования луча для различных уровней квантования и выбора точек ОСШ. Генерируется график, показывающий кривую PER по сравнению с ОСШ для каждого разрешения квантования. Этот пример не рассматривает группировку поднесущих (см. Раздел 9.4.1.65 в [1]).
Пакет HE-SU является полнополосной передачей одному пользователю. Параметры передачи для формата HE-SU конфигурируются с помощью wlanHESUConfig
объект. Свойства объекта содержат строение. В этом примере объект сконфигурирован для полосы пропускания канала 20 МГц, 4 передающих антенны, 2 пространственно-временных потока и скорости 16-QAM-1/2 (MCS 3).
NumTxAnts = 4; % Number of transmit antennas NumSTS = 2; % Number of space-time streams NumRxAnts = 2; % Number of receive antennas cfgHEBase = wlanHESUConfig; cfgHEBase.ChannelBandwidth = 'CBW20'; % Channel bandwidth cfgHEBase.NumSpaceTimeStreams = NumSTS; % Number of space-time streams cfgHEBase.NumTransmitAntennas = NumTxAnts; % Number of transmit antennas cfgHEBase.APEPLength = 1e3; % Payload length in bytes cfgHEBase.ExtendedRange = false; % Do not use extended range format cfgHEBase.Upper106ToneRU = false; % Do not use upper 106 tone RU cfgHEBase.PreHESpatialMapping = false; % Spatial mapping of pre-HE fields cfgHEBase.GuardInterval = 0.8; % Guard interval duration cfgHEBase.HELTFType = 4; % HE-LTF compression mode cfgHEBase.ChannelCoding = 'LDPC'; % Channel coding cfgHEBase.MCS = 3; % Modulation and coding scheme cfgHEBase.SpatialMapping = 'Custom'; % Custom for beamforming
Передача NDP сконфигурирована таким образом, чтобы иметь длину нуля данных. Поскольку NDP используется для получения информации о состоянии канала, количество пространственно-временных потоков равно количеству передающих антенн. Это приводит к прямому отображению каждого пространственно-временного потока на передающую антенну.
cfgNDP = cfgHEBase; cfgNDP.APEPLength = 0; % NDP has no data cfgNDP.NumSpaceTimeStreams = NumTxAnts; % For feedback matrix calculation cfgNDP.SpatialMapping = 'Direct'; % Each TxAnt carries a STS
В этом примере модель закрытого канала TGax NLOS используется с профилем задержки Model-B. Профиль Model-B рассматривается как NLOS, когда расстояние между передатчиком и приемником больше или равно 5 метрам. Это описано далее в wlanTGaxChannel
. В этом примере моделируется канал MIMO 4x2.
% Create and configure the TGax channel chanBW = cfgHEBase.ChannelBandwidth; tgaxChannel = wlanTGaxChannel; tgaxChannel.DelayProfile = 'Model-B'; tgaxChannel.NumTransmitAntennas = NumTxAnts; tgaxChannel.NumReceiveAntennas = NumRxAnts; tgaxChannel.TransmitReceiveDistance = 5; % Distance in meters for NLOS tgaxChannel.ChannelBandwidth = chanBW; tgaxChannel.LargeScaleFadingEffect = 'None'; fs = wlanSampleRate(cfgHEBase); tgaxChannel.SampleRate = fs;
Этот пример сравнивает эффективность формирования луча с двумя различными разрешениями квантования сжатия и без сжатия. Для каждого разрешения квантования выполняют симуляцию «конец к концу» с различными значениями ОСШ, чтобы определить частоту ошибок пакета. Проект 4.1 802.11ax задает только два набора разрешений квантования для формирования луча одним пользователем (таблица 9-31a в [1]). Значение codeBookSize
определяет количество бит, используемых для квантования углов обратной связи формирования луча (phi и psi) в этой симуляции. Когда codeBookSize
Inf, сжатие не выполняется. Уровни квантования, выбранные codeBookSize
показаны в таблице ниже:
codeBookSize Compression Configuration -------------------------------------------------------- 0 NumBitsphi = 4; NumBitspsi = 2 1 NumBitsphi = 6; NumBitspsi = 4 Inf No compression --------------------------------------------------------
codeBookSize = [0 1 Inf];
Количество пакетов генерируется, передается через канал и демодулируется, чтобы определить вероятность ошибки пакета для каждого строения сжатия при каждом значении ОСШ (дБ) в snr
вектор.
snr = 10:2:18;
Количество пакетов, протестированных в каждой точке ОСШ, ограничено maxNumErrors
или maxNumPackets
:
maxNumErrors
- максимальное количество ошибок пакета, моделируемых в каждой точке ОСШ. Когда количество ошибок пакета достигает этого предела, симуляция в этой точке ОСШ завершена.
maxNumPackets
является максимальным количеством пакетов, моделируемых в каждой точке ОСШ, и ограничивает длину симуляции, если предел ошибки пакета не достигнут.
Числа, выбранные в этом примере, приведут к очень короткой симуляции. Для статистически значимых результатов мы рекомендуем увеличить эти цифры.
maxNumErrors = 10; % The maximum number of packet errors at an SNR point maxNumPackets = 100; % The maximum number of packets at an SNR point
Для каждой точки ОСШ проверяется количество пакетов и вычисляется вероятность ошибки пакета. Преамбула pre-HE 802.11ax обратно совместима с 802.11ac™, поэтому в этом примере компоненты синхронизации front-end для формы волны VHT используются для синхронизации формы волны HE в приемнике. Для каждого пакета выполняются следующие шаги обработки.
Beamformer получает управляющую матрицу путем передачи NDP, который обрабатывается beamformee, чтобы создать матрицу обратной связи:
Сигнал NDP передается через внутреннюю модель канала TGax. Различные реализации канала моделируются для различных пакетов.
AWGN добавляют к принятой форме волны, чтобы создать желаемый средний ОСШ на поднесущую после демодуляции OFDM. The comm.AWGNChannel
сконфигурировано для предоставления правильного ОСШ. Строение учитывает нормализацию в канале по количеству приемных антенн и энергии шума в неиспользованных поднесущих, которые удаляются во время демодуляции OFDM.
Пакет обнаруживается в beamformee.
Грубое смещение несущей частоты оценивают и корректируют.
Установлена точная временная синхронизация. Выборки L-STF, L-LTF и L-SIG предусмотрены для точной синхронизации, чтобы обеспечить обнаружение пакетов в начале или конце L-STF.
Хорошее смещение частоты несущей оценивается и корректируется.
HE-LTF извлекается из синхронизированной принятой формы волны. HE-LTF является демодулированным OFDM, и выполняется оценка канала.
В оцененном канале осуществляют сингулярное разложение и вычисляют матрицу V обратной связи формирования луча.
Если сжатия нет, эта матрица обратной связи V будет использоваться в качестве управляющей матрицы beamformer.
Если используется сжатие, матрица V обратной связи будет сжата и квантована, чтобы создать набор углов, заданных в стандарте.
Устройство формирования луча передает пакет данных, используя восстановленную матрицу управления, и устройство декодирования луча декодирует передачу данных, сформированных лучом, для восстановления PSDU:
Поскольку текущий пример принимает нулевую задержку в получении обратной связи формирования луча от луча, квантованные углы преобразуются назад в матрицу обратной связи формирования луча, V.
PSDU создается и кодируется, чтобы создать одну форму сигнала пакета с матрицей управления, установленной на матрицу обратной связи формирования луча V.
Форма волны передается через ту же внутреннюю реализацию канала TGax, что и передача NDP.
AWGN добавляется к принятой форме волны.
Как и в случае NDP, выполняют синхронизацию и оценку канала HE.
Поле данных извлекается из синхронизированной принятой формы волны и демодулируется OFDM.
Отслеживание пилот-сигнала общей фазы ошибки выполняется, чтобы отслеживать любое остаточное смещение частоты несущей.
Оценка шума выполняется с использованием пилотных сигналов демодулированного поля данных и оценки канала с одним потоком на поднесущих пилот-сигнала.
Исправленные по фазе символы OFDM выравниваются с оценкой канала.
Уравненные символы демодулируются и декодируются, чтобы восстановить PSDU.
A parfor
цикл может использоваться, чтобы параллелизировать обработку точек ОСШ. Чтобы обеспечить возможность использования параллельных вычислений для повышения скорости, закомментируйте оператора 'for' и раскомментируйте оператора 'parfor' ниже.
numQuant = numel(codeBookSize); numSNR = numel(snr); % Number of SNR points packetErrorRate = zeros(numQuant,numSNR); % Get occupied subcarrier indices and OFDM parameters ofdmInfo = wlanHEOFDMInfo('HE-Data',cfgHEBase); % Indices to extract fields from the PPDU ind = wlanFieldIndices(cfgHEBase); indSound = wlanFieldIndices(cfgNDP); for ibf = 1:numQuant switch codeBookSize(ibf) % See P802.11ax/D4.1 Section 9.4.1.64 case 0 NumBitsPsi = 2; % Number of bits for psi NumBitsPhi = 4; % Number of bits for phi disp('End-to-End simulation with compressed beamforming quantization with'); disp(['Number of Bits for phi = ' num2str(NumBitsPhi) ... ' and Number of Bits for psi = ' num2str(NumBitsPsi)]); case 1 NumBitsPsi = 4; % Number of bits for psi NumBitsPhi = 6; % Number of bits for phi disp('End-to-End simulation with compressed beamforming quantization with'); disp(['Number of Bits for phi = ' num2str(NumBitsPhi) ... ' and Number of Bits for psi = ' num2str(NumBitsPsi)]); otherwise disp('End-to-End simulation with non-compressed beamforming'); end %parfor isnr = 1:numSNR % Use 'parfor' to speed up the simulation for isnr = 1:numSNR % Set random substream index per iteration to ensure that each % iteration uses a repeatable set of random numbers stream = RandStream('combRecursive','Seed',100); stream.Substream = isnr; RandStream.setGlobalStream(stream); % Create an instance of the AWGN channel per SNR point simulated awgnChannel = comm.AWGNChannel; awgnChannel.NoiseMethod = 'Signal to noise ratio (SNR)'; awgnChannel.SignalPower = 1/tgaxChannel.NumReceiveAntennas; % Account for noise energy in nulls so the SNR is defined per % active subcarrier awgnChannel.SNR = snr(isnr)-10*log10(ofdmInfo.FFTLength/ofdmInfo.NumTones); % Create an instance of the HE configuration object per SNR point % simulated. This will enable to use parfor cfgHE = cfgHEBase; % Loop to simulate multiple packets numPacketErrors = 0; numPkt = 1; % Index of packet transmitted while numPacketErrors<=maxNumErrors && numPkt<=maxNumPackets % Null data packet transmission tx = wlanWaveformGenerator([],cfgNDP); % Add trailing zeros to allow for channel delay txPad = [tx; zeros(50,cfgNDP.NumTransmitAntennas)]; % Pass through a fading indoor TGax channel reset(tgaxChannel); % Reset channel for different realization rx = tgaxChannel(txPad); % Pass the waveform through AWGN channel rx = awgnChannel(rx); % Calculate the steering matrix at the beamformee V = heUserBeamformingFeedback(rx,cfgNDP,true); if isempty(V) % User feedback failed, packet error numPacketErrors = numPacketErrors+1; numPkt = numPkt+1; continue; % Go to next loop iteration end if ~isinf(codeBookSize(ibf)) % Find quantized angles of the beamforming feedback matrix angidx = bfCompressQuantize(V(:,1:NumSTS,:),NumBitsPhi,NumBitsPsi); % Calculate steering matrix from the quantized angles at % beamformer: % Assuming zero delay in transmitting the quantized angles % from beamformee to beamformer, the steering matrix is % calculated from the quantized angles and is used in the % data transmission of beamformer. [~,Nc,Nr] = size(V(1,1:NumSTS,:)); V = bfDecompress(angidx,Nr,Nc,NumBitsPhi,NumBitsPsi); end steeringMat = V(:,1:NumSTS,:); % Beamformed data transmission psduLength = getPSDULength(cfgHE); % PSDU length in bytes txPSDU = randi([0 1],psduLength*8,1); % Generate random PSDU cfgHE.SpatialMappingMatrix = steeringMat; tx = wlanWaveformGenerator(txPSDU,cfgHE); % Add trailing zeros to allow for channel delay txPad = [tx; zeros(50,cfgHE.NumTransmitAntennas)]; % Pass through a fading indoor TGax channel rx = tgaxChannel(txPad); % Pass the waveform through AWGN channel rx = awgnChannel(rx); % Packet detect and determine coarse packet offset coarsePktOffset = wlanPacketDetect(rx,chanBW); if isempty(coarsePktOffset) % If empty no L-STF detected; packet error numPacketErrors = numPacketErrors+1; numPkt = numPkt+1; continue; % Go to next loop iteration end % Extract L-STF and perform coarse frequency offset correction lstf = rx(coarsePktOffset+(ind.LSTF(1):ind.LSTF(2)),:); coarseFreqOff = wlanCoarseCFOEstimate(lstf,chanBW); rx = helperFrequencyOffset(rx,fs,-coarseFreqOff); % Extract the non-HT fields and determine fine packet offset nonhtfields = rx(coarsePktOffset+(ind.LSTF(1):ind.LSIG(2)),:); finePktOffset = wlanSymbolTimingEstimate(nonhtfields,chanBW); % Determine final packet offset pktOffset = coarsePktOffset+finePktOffset; % If packet detected outwith the range of expected delays from % the channel modeling; packet error if pktOffset>50 numPacketErrors = numPacketErrors+1; numPkt = numPkt+1; continue; % Go to next loop iteration end % Extract L-LTF and perform fine frequency offset correction rxLLTF = rx(pktOffset+(ind.LLTF(1):ind.LLTF(2)),:); fineFreqOff = wlanFineCFOEstimate(rxLLTF,chanBW); rx = helperFrequencyOffset(rx,fs,-fineFreqOff); % HE-LTF demodulation and channel estimation rxHELTF = rx(pktOffset+(ind.HELTF(1):ind.HELTF(2)),:); heltfDemod = wlanHEDemodulate(rxHELTF,'HE-LTF',cfgHE); [chanEst,pilotEst] = heLTFChannelEstimate(heltfDemod,cfgHE); % Data demodulate rxData = rx(pktOffset+(ind.HEData(1):ind.HEData(2)),:); demodSym = wlanHEDemodulate(rxData,'HE-Data',cfgHE); % Pilot phase tracking % Average single-stream pilot estimates over symbols (2nd dimension) pilotEstTrack = mean(pilotEst,2); demodSym = heCommonPhaseErrorTracking(demodSym,pilotEstTrack,cfgHE); % Estimate noise power in HE fields nVarEst = heNoiseEstimate(demodSym(ofdmInfo.PilotIndices,:,:),pilotEstTrack,cfgHE); % Extract data subcarriers from demodulated symbols and channel % estimate demodDataSym = demodSym(ofdmInfo.DataIndices,:,:); chanEstData = chanEst(ofdmInfo.DataIndices,:,:); % Equalization and STBC combining [eqDataSym,csi] = heEqualizeCombine(demodDataSym,chanEstData,nVarEst,cfgHE); % Recover data rxPSDU = wlanHEDataBitRecover(eqDataSym,nVarEst,csi,cfgHE,'LDPCDecodingMethod','layered-bp'); % Determine if any bits are in error, i.e. a packet error packetError = ~isequal(txPSDU,rxPSDU); numPacketErrors = numPacketErrors+packetError; numPkt = numPkt+1; end % Calculate packet error rate (PER) at SNR point packetErrorRate(ibf,isnr) = numPacketErrors/(numPkt-1); disp(['MCS ' num2str(cfgHE.MCS) ','... ' SNR ' num2str(snr(isnr)) ... ' completed after ' num2str(numPkt-1) ' packets,'... ' PER:' num2str(packetErrorRate(ibf,isnr))]); end disp(newline); end
End-to-End simulation with compressed beamforming quantization with Number of Bits for phi = 4 and Number of Bits for psi = 2 MCS 3, SNR 10 completed after 13 packets, PER:0.84615 MCS 3, SNR 12 completed after 54 packets, PER:0.2037 MCS 3, SNR 14 completed after 100 packets, PER:0.07 MCS 3, SNR 16 completed after 100 packets, PER:0 MCS 3, SNR 18 completed after 100 packets, PER:0 End-to-End simulation with compressed beamforming quantization with Number of Bits for phi = 6 and Number of Bits for psi = 4 MCS 3, SNR 10 completed after 13 packets, PER:0.84615 MCS 3, SNR 12 completed after 54 packets, PER:0.2037 MCS 3, SNR 14 completed after 100 packets, PER:0.06 MCS 3, SNR 16 completed after 100 packets, PER:0 MCS 3, SNR 18 completed after 100 packets, PER:0 End-to-End simulation with non-compressed beamforming MCS 3, SNR 10 completed after 13 packets, PER:0.84615 MCS 3, SNR 12 completed after 59 packets, PER:0.18644 MCS 3, SNR 14 completed after 100 packets, PER:0.06 MCS 3, SNR 16 completed after 100 packets, PER:0 MCS 3, SNR 18 completed after 100 packets, PER:0
figure; lineTypes = ["k-o" "b-s" "r-*"]; semilogy(snr,packetErrorRate(1,:),lineTypes(1)); hold on; grid on; xlabel('SNR (dB)'); ylabel('PER'); for ibf = 2:numQuant semilogy(snr,packetErrorRate(ibf,:),lineTypes(ibf)); end dataStr = [string(['Compressed Beamforming, ' newline ... 'NumBitsPhi = 4, NumBitsPsi = 2' newline])... string(['Compressed Beamforming, ' newline ... 'NumBitsPhi = 6, NumBitsPsi = 4' newline]) ... "Non-Compressed Beamforming"]; legend(dataStr); title(sprintf('802.11ax Beamforming PER for Channel %s, %s, %s',tgaxChannel.DelayProfile,cfgHEBase.ChannelBandwidth,cfgHEBase.ChannelCoding));
Количество пакетов, протестированных в каждой точке ОСШ, управляется двумя параметрами: maxNumErrors
и maxNumPackets
. Для значимых результатов эти значения должны быть больше, чем значения, представленные в этом примере. В качестве примера рисунок ниже был создан путем выполнения более длительной симуляции с maxNumErrors
: 1e3 и maxNumPackets
:1e4.
В этом примере используются следующие вспомогательные функции:
IEEE P802.11ax™/D4.1 Проект стандарта на информационные технологии - Телекоммуникации и обмен информацией между системами - Локальные и столичные сети - Особые требования - Часть 11: Спецификации управления доступом к среде беспроводной локальной сети (MAC) и физического Слоя (PHY) - Поправка 6: Усовершенствования для высокой Эффективности WLAN.