В этом примере показано, как измерить пакетный коэффициент ошибок beamformed высокоэффективного отдельного пользователя IEEE® 802.11ax™ (SU HE) ссылка формата с различными beamforming уровнями квантования обратной связи.
Передайте энергию особого внимания beamforming к приемнику, чтобы улучшить ОСШ ссылки. В этой схеме передатчик называется формирователем луча, и приемник 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. Эти измерения получены путем звучания каналом между формирователем луча и beamformee. Чтобы звучать как канал, формирователь луча отправляет пустой пакет данных (NDP) в beamformee. beamformee измеряет информацию о канале во время звучания, чтобы вычислить матрицу обратной связи. Эта матрица сжата в форме квантованных углов (phi и psi) и возвращена к формирователю луча. Формирователь луча может затем вычислить матрицу обратной связи от квантованных углов, чтобы создать держащуюся матрицу и передачи beamform к beamformee. Процесс формирования держащейся матрицы показывают в Передаче 802.11ac Beamforming.
В этом примере 4x2 настройка MIMO рассматривается между передатчиком и приемником с двумя пространственно-временными потоками, используемыми для каждой пакетной передачи данных. Сквозная симуляция используется, чтобы определить пакетный коэффициент ошибок (PER) для 802.11ax [1] ссылка формата отдельного пользователя (SU) со сжатым beamforming квантованием обратной связи для различных уровней квантования и выбором точек ОСШ. График сгенерирован, показав PER по сравнению с кривой ОСШ для каждого разрешения квантования. Этот пример не рассматривает группировку поднесущих (см. Раздел 9.4.1.65 в [1]).
Пакет HE-SU является передачей полной полосы отдельному пользователю. Параметры передачи для формата HE-SU сконфигурированы с помощью wlanHESUConfig
объект. Свойства объекта содержат настройку. В этом примере объект сконфигурирован для полосы пропускания канала на 20 МГц, 4 передающих антенн, 2 пространственно-временных потоков и 16-QAM rate-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, чтобы иметь длину данных нуля. Поскольку NDP используется, чтобы получить информацию о состоянии канала, количество пространственно-временных потоков равно количеству передающих антенн. Это приводит к прямому отображению каждого пространственно-временного потока к передающей антенне.
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 TGax NLOS внутренняя модель канала используется с Моделью-B профиля задержки. Профиль Модели-B рассматривается NLOS, когда расстояние между передатчиком и приемником больше или равно 5 метрам. Это описано далее в wlanTGaxChannel
. 4x2 канал MIMO симулирован в этом примере.
% 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'; tgaxChannel.NormalizeChannelOutputs = false; fs = wlanSampleRate(cfgHEBase); tgaxChannel.SampleRate = fs;
Этот пример сравнивает эффективность beamforming с двумя различными разрешениями квантования сжатия, и без сжатия. Для каждого разрешения квантования вплотную симуляция с различными значениями ОСШ запущена, чтобы определить пакетный коэффициент ошибок. 802.11ax Проект 4.1 задает только два набора разрешения квантования для отдельного пользователя beamforming (Таблица, 9-31a в [1]). Значение codeBookSize
решает, что количество битов раньше квантовало beamforming углы обратной связи (phi и psi) в этой симуляции. Когда codeBookSize
Inf, никакое сжатие не выполняется. Уровни квантования выбраны codeBookSize
показаны в приведенной ниже таблице:
codeBookSize Compression Configuration -------------------------------------------------------- 0 NumBitsphi = 4; NumBitspsi = 2 1 NumBitsphi = 6; NumBitspsi = 4 Inf No compression --------------------------------------------------------
codeBookSize = [0 1 Inf];
Много пакетов генерируются, проходятся канал и демодулируются, чтобы определить пакетный коэффициент ошибок для каждой настройки сжатия в каждом ОСШ (дБ) значение в snr
вектор.
snr = 10:2:18;
Количество пакетов, протестированных в каждой точке ОСШ, ограничивается maxNumErrors
или maxNumPackets
:
maxNumErrors
максимальное количество пакетных ошибок, симулированных в каждой точке ОСШ. Когда количество пакетных ошибок достигает этого предела, симуляция в этой точке ОСШ завершена.
maxNumPackets
максимальное количество пакетов, симулированных в каждой точке ОСШ, и ограничивает продолжительность симуляции, если пакетный предел погрешности не достигнут.
Числа, выбранные в этом примере, приведут к очень короткой симуляции. Для статистически значимых результатов мы рекомендуем увеличить эти числа.
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 много пакетов тестируются и пакетный вычисленный коэффициент ошибок. Преамбула предHE 802.11ax назад совместима с 802.11ac™, поэтому в этом примере, компоненты синхронизации фронтенда для формы волны VHT используются, чтобы синхронизировать форму волны HE в приемнике. Для каждого пакета происходят выполняющие шаги обработки.
Формирователь луча получает держащуюся матрицу путем передачи NDP, который обрабатывается beamformee, чтобы создать матрицу обратной связи:
Форма волны NDP передается через внутреннюю модель канала TGax. Различная реализация канала моделируется для различных пакетов.
AWGN добавляется к принятой форме волны, чтобы создать желаемый средний ОСШ на активную поднесущую после демодуляции OFDM.
Пакет обнаруживается в beamformee.
Крупное смещение несущей частоты оценивается и корректируется.
Прекрасная временная синхронизация устанавливается. L-STF, L-LTF и выборки L-SIG обеспечиваются для прекрасной синхронизации, чтобы допускать пакетное обнаружение в запуске или конце L-STF.
Прекрасное смещение несущей частоты оценивается и корректируется.
HE-LTF извлечен из синхронизируемой принятой формы волны. HE-LTF является демодулируемым OFDM, и оценка канала выполняется.
Сингулярное разложение выполняется на предполагаемом канале, и beamforming матрица обратной связи, V вычисляется.
Если не будет никакого сжатия, эта матрица обратной связи, V будет использоваться в качестве держащейся матрицы формирователем луча.
Если сжатие будет использоваться, матрица обратной связи, V будет сжата и квантована, чтобы создать набор углов, как задано в стандарте.
Формирователь луча передает пакет данных с помощью восстановленной руководящей матрицы, и beamformee декодирует beamformed передачу данных, чтобы восстановить PSDU:
Поскольку текущий пример принимает нулевую задержку в получении beamforming обратной связи от beamformee, квантованные углы преобразованы назад в beamforming матрицу обратной связи, V.
PSDU создается и кодируется, чтобы создать одну пакетную форму волны с держащимся матричным набором к beamforming матрице обратной связи, V.
Форма волны передается посредством той же внутренней реализации канала TGax как передача NDP.
AWGN добавляется к принятой форме волны.
Как с NDP, выполняются синхронизация и оценка канала HE.
Поле данных извлечено из синхронизируемой принятой формы волны и демодулируемого OFDM.
Общий ошибочный пилот фазы отслеживание выполняется, чтобы отследить любое остаточное смещение несущей частоты.
Шумовая оценка выполняется с помощью демодулируемых пилотов поля данных и оценки канала единого потока в пилотных поднесущих.
Откорректированные символы фазы OFDM компенсируются с оценкой канала.
Компенсируемые символы демодулируются и декодируются, чтобы восстановить PSDU.
parfor
цикл может использоваться, чтобы параллелизировать обработку точек ОСШ. Чтобы включить использование параллельных вычислений для увеличенной скорости комментируют 'для' оператора и не комментируют 'parfor' оператор 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); % Account for noise energy in nulls so the SNR is defined per % active subcarrier packetSNR = 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 = awgn(rx,packetSNR); % 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 = awgn(rx,packetSNR); % 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));
Количеством пакетов, протестированных в каждой точке ОСШ, управляют два параметра: maxNumErrors
и maxNumPackets
. Для значимых результатов эти значения должны быть больше, чем представленные в этом примере. Как пример, рисунок ниже был создан путем выполнения более длительной симуляции с maxNumErrors
:1e3 и maxNumPackets
:1e4.
Этот пример использует следующие функции помощника:
Черновой Стандарт IEEE P802.11ax™/D4.1 для Информационных технологий - Телекоммуникаций и обмена информацией между системами - Локальными сетями и городскими компьютерными сетями - Конкретными требованиями - Часть 11: Беспроводное Среднее управление доступом (MAC) LAN и Физический уровень (PHY) Технические требования - Поправка 6: Улучшения для Высокой эффективности WLAN.