Введение

802.11ac поддерживает нисходящий канал (точка доступа к станции) многопользовательские передачи максимум для четырех пользователей и до восьми передающих антенн, чтобы увеличить совокупную пропускную способность ссылки [1]. На основе запланированного времени передачи для пользователя планировщик ищет другие меньшие пакеты, готовые к передаче другим пользователям. При наличии это планирует этих пользователей на том же интервале, который уменьшает полное время, потраченное для нескольких передач.

Эта одновременная передача прибывает в более высокую сложность, потому что успешный прием полезных нагрузок отдельного пользователя требует предварительного кодирования, также известного как конец передачи beamforming. Предварительное кодирование принимает, что информация о состоянии канала (CSI) известна в передатчике. Звучащий пакет, как описано в Передаче 802.11ac Beamforming (WLAN Toolbox) пример, используется, чтобы определить CSI для каждого пользователя в многопользовательской передаче. Каждый из пользователей возвращает их отдельный CSI к формирователю луча. Формирователь луча использует CSI от всех пользователей, чтобы установить предварительное кодирование (пространственное отображение) матрица для последующей передачи данных.

Этот пример использует метод инверсии канала для передачи с тремя пользователями с различным количеством пространственных потоков, выделенных на пользователя и различные параметры уровня на пользователя. Система может быть охарактеризована рисунком ниже.

Пример генерирует многопользовательскую форму волны передачи, передает ее через многопользовательский WINNER II каналов и декодирует полученный сигнал для каждого пользователя вычислить биты по ошибке. До передачи данных пример использует передачу пакета пустых данных (NDP), чтобы звучать как различный канал для каждого пользователя и определяет матрицу перед кодированием под предположением о совершенной обратной связи.

Проверяйте на установку пакета поддержки

Проверяйте, установлен ли 'ПОБЕДИТЕЛЬ II Моделей Канала для Communications Toolbox' пакет поддержки.

commSupportPackageCheck('CST_WINNER2');

Параметры симуляции и настройка

Для 802.11ac позволен максимум восьми пространственных потоков. 8x8 настройка MIMO для трех пользователей используется в этом примере, где у первого пользователя есть три потока, второй имеет один, и третье имеет четыре потока, выделенные ему. Различные параметры уровня и размеры полезной нагрузки для каждого пользователя заданы как векторные параметры для настройки передачи.

s = rng(10);                           % Set RNG seed for repeatability

% Transmission parameters
chanBW      = 'CBW80';               % Channel bandwidth
numUsers    = 3;                     % Number of users
numSTSVec   = [3 1 4];               % Number of streams per user
userPos     = [0 1 2];               % User positions
mcsVec      = [4 6 8];               % MCS per user: 16QAM, 64QAM, 256QAM
apepVec     = [520 192 856];         % Payload per user, in bytes
chCodingVec = {'BCC','LDPC','LDPC'}; % Channel coding per user

% Precoding and equalization parameters
precodingType = 'ZF';                % Precoding type; ZF or MMSE
snr           = 47;                  % SNR in dB
eqMethod      = 'ZF';                % Equalization method

% Create the multiuser VHT format configuration object
numTx = sum(numSTSVec);
cfgVHTMU = wlanVHTConfig('ChannelBandwidth',chanBW, ...
    'NumUsers',numUsers, ...
    'NumTransmitAntennas',numTx, ...
    'GroupID',2, ...
    'NumSpaceTimeStreams',numSTSVec,...
    'UserPositions',userPos, ...
    'MCS',mcsVec, ...
    'APEPLength',apepVec, ...
    'ChannelCoding',chCodingVec);

Номер передающих антенн определяется, чтобы быть суммарным итогом всех используемых пространственно-временных потоков. Это не подразумевает пространственно-временного блочного кодирования (STBC), или пространственное расширение используется для передачи.

Звучание (NDP) настройка

Для предварительного кодирования звучание канала сначала используется, чтобы определить канал, испытанный пользователями (приемники). Эту информацию о состоянии канала передают обратно в передатчик для него, чтобы использоваться для последующей передачи данных. Это принято, что канал медленно варьируется по этим двум передачам. Для многопользовательских передач тот же NDP (Пустой Пакет Данных) передается каждому из зарегистрированных пользователей [2].

% VHT sounding (NDP) configuration, for same number of streams
cfgVHTNDP = wlanVHTConfig('ChannelBandwidth',chanBW, ...
    'NumUsers',1, ...
    'NumTransmitAntennas',numTx, ...
    'GroupID',0, ...
    'NumSpaceTimeStreams',sum(numSTSVec),...
    'MCS',0, ...
    'APEPLength',0);

Количество заданных потоков является суммарным итогом всех пространственно-временных используемых потоков. Это позволяет полному каналу звучаться.

% Generate the null data packet, with no data
txNDPSig = wlanWaveformGenerator([],cfgVHTNDP);
NPDSigLen = size(txNDPSig, 1);

WINNER II каналов для внутреннего сценария Office (A1)

В этом примере, одном comm.WINNER2Channel Системный объект в ПОБЕДИТЕЛЕ II Моделей Канала для Communications Toolbox™ настраивается, чтобы симулировать три канала различным пользователям. Внутренний офисный (A1) сценарий не угла обзора (NLOS) сконфигурирован для каждого пользователя. С фиксированным профилем задержки степени каждый пользователь испытывает исчезающий канал с 16 путями с самой большой задержкой 175 нас. Каждый пользователь также присвоен низкая мобильность как подходящий для 802.11ac.

Точка доступа использует универсальный круговой массив (UCA) с радиусом 20 см. Каждый пользователь использует универсальную линейную матрицу (ULA) с интервалом 5 см между элементами. Это также принято, что количество каждого пользователя получает антенны, равно количеству пространственно-временных потоков, выделенных им.

% Set up layout parameters for WINNER II channel
AA = winner2.AntennaArray('UCA',numTx,0.2);
for i = 1:numUsers
    AA(i+1) = winner2.AntennaArray('ULA',numSTSVec(i),0.05);
end
STAIdx   = 2:(numUsers+1);
APIdx   = {1};
rndSeed = 12;
cfgLayout = winner2.layoutparset(STAIdx,APIdx,numUsers,AA,[],rndSeed);
cfgLayout.Pairing = [ones(1,numUsers);2:(numUsers+1)]; % One access point to all users
cfgLayout.ScenarioVector = ones(1,numUsers);           % A1 scenario for all links
cfgLayout.PropagConditionVector = zeros(1,numUsers);  % NLOS
for i = 1:numUsers % Randomly set velocity for each user
    v = rand(3,1) - 0.5;
    cfgLayout.Stations(i+1).Velocity = v/norm(v,'fro');
end

% Set up model parameters for WINNER II channel
cfgModel = winner2.wimparset;
cfgModel.FixedPdpUsed       = 'yes';
cfgModel.FixedAnglesUsed    = 'yes';
cfgModel.IntraClusterDsUsed = 'no';
cfgModel.RandomSeed         = 111;    % Repeatability

% The maximum velocity for the 3 users is 1m/s. Set up the SampleDensity
% field to ensure that the sample rate matches the channel bandwidth.
maxMSVelocity = max(cell2mat(cellfun(@(x) norm(x,'fro'), ...
    {cfgLayout.Stations.Velocity},'UniformOutput',false)));
cfgModel.UniformTimeSampling = 'yes';
cfgModel.SampleDensity = round(physconst('LightSpeed')/ ...
    cfgModel.CenterFrequency/2/(maxMSVelocity/wlanSampleRate(cfgVHTMU)));

% Create the WINNER II channel System object
WINNERChan = comm.WINNER2Channel(cfgModel,cfgLayout);

% Call the info method to check some derived channel parameters
chanInfo = info(WINNERChan)

chanInfo = 

  struct with fields:

               NumLinks: 3
          NumBSElements: [8 8 8]
          NumMSElements: [3 1 4]
               NumPaths: [16 16 16]
             SampleRate: [8.0000e+07 8.0000e+07 8.0000e+07]
     ChannelFilterDelay: [7 7 7]
    NumSamplesProcessed: 0

Задержка фильтрации канала каждого пользователя хранится с учетом ее компенсации в приемнике. На практике оценка символьной синхронизации использовалась бы. В передатчике дополнительные десять все-нулевые выборки добавлены с учетом задержки фильтра канала.

chanDelay   = chanInfo.ChannelFilterDelay;
numPadZeros = 10;

% Set ModelConfig.NumTimeSamples to match the length of the input signal to
% avoid warning
WINNERChan.ModelConfig.NumTimeSamples = NPDSigLen + numPadZeros;

% Sound the WINNER II channel for all users
chanOutNDP = WINNERChan([txNDPSig;zeros(numPadZeros,numTx)]);

% Add AWGN
rxNDPSig = cellfun(@awgn,chanOutNDP, ...
    num2cell(snr*ones(numUsers,1)),'UniformOutput',false);

Информационная обратная связь состояния канала

Каждый пользователь оценивает, что его собственный канал с помощью полученного NDP сигнализирует, и вычисляет информацию о состоянии канала, которую он может передать обратно в передатчик. Этот пример использует сингулярное разложение канала, который, как замечает каждый пользователь, вычислил обратную связь CSI.

mat = cell(numUsers,1);
for uIdx = 1:numUsers
    % Compute the feedback matrix based on received signal per user
    mat{uIdx} = vhtCSIFeedback(rxNDPSig{uIdx}(chanDelay(uIdx)+1:end,:), ...
        cfgVHTNDP,uIdx,numSTSVec);
end

Принимая совершенную обратную связь, без потери сжатия или квантования CSI, передатчик вычисляет держащуюся матрицу для передачи данных с помощью или Принуждения Нуля или основанных на Минимальной среднеквадратичной погрешности (MMSE) методов перед кодированием. Оба метода пытаются уравновесить внутрипотоковую интерференцию для пользователя интереса и интерференцию из-за других пользователей. Основанный на MMSE подход избегает шумового улучшения, свойственного от обеспечивающего нуль метода. В результате это выполняет лучше в низком SNRs.

% Pack the per user CSI into a matrix
numST = length(mat{1});         % Number of subcarriers
steeringMatrix = zeros(numST,sum(numSTSVec),sum(numSTSVec));
%   Nst-by-Nt-by-Nsts
for uIdx = 1:numUsers
    stsIdx = sum(numSTSVec(1:uIdx-1))+(1:numSTSVec(uIdx));
    steeringMatrix(:,:,stsIdx) = mat{uIdx};     % Nst-by-Nt-by-Nsts
end

% Zero-forcing or MMSE precoding solution
if strcmp(precodingType, 'ZF')
    delta = 0; % Zero-forcing
else
    delta = (numTx/(10^(snr/10))) * eye(numTx); % MMSE
end
for i = 1:numST
    % Channel inversion precoding
    h = squeeze(steeringMatrix(i,:,:));
    steeringMatrix(i,:,:) = h/(h'*h + delta);
end

% Set the spatial mapping based on the steering matrix
cfgVHTMU.SpatialMapping = 'Custom';
cfgVHTMU.SpatialMappingMatrix = permute(steeringMatrix,[1 3 2]);

Передача данных

Случайные биты используются в качестве полезной нагрузки для отдельных пользователей. Массив ячеек используется, чтобы содержать биты данных для каждого пользователя, txDataBits. Для многопользовательской передачи полезные нагрузки отдельного пользователя дополнены таким образом, что длительность передачи является тем же самым для всех пользователей. Этот дополнительный процесс описан в Разделе 9.12.6 из [1]. В этом примере для простоты полезная нагрузка дополнена нулями, чтобы создать PSDU для каждого пользователя.

% Create data sequences, one for each user
txDataBits = cell(numUsers,1);
psduDataBits = cell(numUsers,1);
for uIdx = 1:numUsers
    % Generate payload for each user
    txDataBits{uIdx} = randi([0 1],cfgVHTMU.APEPLength(uIdx)*8,1,'int8');

    % Pad payload with zeros to form a PSDU
    psduDataBits{uIdx} = [txDataBits{uIdx}; ...
        zeros((cfgVHTMU.PSDULength(uIdx)-cfgVHTMU.APEPLength(uIdx))*8,1,'int8')];
end

Используя настройку формата, cfgVHTMU, с держащейся матрицей, чтобы сгенерировать многопользовательскую форму волны VHT.

txSig = wlanWaveformGenerator(psduDataBits,cfgVHTMU);

WINNER, который II объектов канала не позволяют размеру входного сигнала изменять когда-то заблокированный, таким образом, мы должны вызвать метод релиза прежде, чем передать форму волны через него. Кроме того, когда мы перезапускаем канал, мы хотим, чтобы он повторно обработал NDP перед формой волны, чтобы точно подражать непрерывности канала. Только фрагмент формы волны выхода канала извлечен для последующей обработки каждого пользователя.

release(WINNERChan);

% Set ModelConfig.NumTimeSamples to match the total length of NDP plus
% waveform and padded zeros
WINNERChan.ModelConfig.NumTimeSamples = ...
    WINNERChan.ModelConfig.NumTimeSamples + length(txSig) + numPadZeros;

% Transmit through the WINNER II channel for all users, with 10 all-zero
% samples appended to account for channel filter delay
chanOut = WINNERChan([txNDPSig; zeros(numPadZeros,numTx); ...
    txSig; zeros(numPadZeros,numTx)]);

% Extract the waveform output for each user
chanOut = cellfun(@(x) x(NPDSigLen+numPadZeros+1:end,:),chanOut,'UniformOutput',false);

% Add AWGN
rxSig = cellfun(@awgn,chanOut, ...
    num2cell(snr*ones(numUsers,1)),'UniformOutput',false);

Восстановление данных на пользователя

Получить сигналы для каждого пользователя обрабатываются индивидуально. Пример принимает, что нет никаких ухудшений фронтенда и что настройка передачи известна приемником для простоты.

Код пользователя задает пользователя интереса, декодируемого для передачи. Это также используется, чтобы индексировать в векторные свойства объекта настройки, которые специфичны для пользователя.

% Get field indices from configuration, assumed known at receiver
ind = wlanFieldIndices(cfgVHTMU);

% Single-user receivers recover payload bits
rxDataBits = cell(numUsers,1);
scaler = zeros(numUsers,1);
spAxes = gobjects(sum(numSTSVec),1);
hfig = figure('Name','Per-stream equalized symbol constellation');
for uIdx = 1:numUsers
    rxNSig = rxSig{uIdx}(chanDelay(uIdx)+1:end, :);

    % User space-time streams
    stsU = numSTSVec(uIdx);

    % Estimate noise power in VHT fields
    lltf = rxNSig(ind.LLTF(1):ind.LLTF(2),:);
    demodLLTF = wlanLLTFDemodulate(lltf,chanBW);
    nVar = helperNoiseEstimate(demodLLTF,chanBW,sum(numSTSVec));

    % Perform channel estimation based on VHT-LTF
    rxVHTLTF  = rxNSig(ind.VHTLTF(1):ind.VHTLTF(2),:);
    demodVHTLTF = wlanVHTLTFDemodulate(rxVHTLTF,chanBW,numSTSVec);
    chanEst = wlanVHTLTFChannelEstimate(demodVHTLTF,chanBW,numSTSVec);

    % Recover information bits in VHT Data field
    rxVHTData = rxNSig(ind.VHTData(1):ind.VHTData(2),:);
    [rxDataBits{uIdx},~,eqsym] = wlanVHTDataRecover(rxVHTData, ...
        chanEst,nVar,cfgVHTMU,uIdx, ...
        'EqualizationMethod',eqMethod,'PilotPhaseTracking','None', ...
        'LDPCDecodingMethod','layered-bp','MaximumLDPCIterationCount',6);

    % Plot equalized symbols for all streams per user
    scaler(uIdx) = ceil(max(abs([real(eqsym(:)); imag(eqsym(:))])));
    for i = 1:stsU
        subplot(numUsers,max(numSTSVec),(uIdx-1)*max(numSTSVec)+i);
        plot(reshape(eqsym(:,:,i),[],1),'.');
        axis square
        spAxes(sum([0 numSTSVec(1:(uIdx-1))])+i) = gca; % Store axes handle
        title(['User ' num2str(uIdx) ', Stream ' num2str(i)]);
        grid on;
    end
end

% Scale axes for all subplots and scale figure
for i = 1:numel(spAxes)
    xlim(spAxes(i),[-max(scaler) max(scaler)]);
    ylim(spAxes(i),[-max(scaler) max(scaler)]);
end
pos = get(hfig,'Position');
set(hfig,'Position',[pos(1)*0.7 pos(2)*0.7 1.3*pos(3) 1.3*pos(4)]);

На поток компенсируемые графики созвездия символа подтверждают параметры симуляции и передают эффективность метода. Отметьте заметное 16QAM, 64QAM и созвездия QPSK на пользователя, как задано на конце передачи. Также наблюдайте ухудшение EVM по различным потокам для отдельного пользователя. Это - представительная характеристика метода инверсии канала.

Восстановленные биты данных по сравнению с переданными битами полезной нагрузки, чтобы определить частоту ошибок по битам.

% Compare recovered bits against per-user APEPLength information bits
ber = inf(1, numUsers);
for uIdx = 1:numUsers
    idx = (1:cfgVHTMU.APEPLength(uIdx)*8).';
    [~,ber(uIdx)] = biterr(txDataBits{uIdx}(idx),rxDataBits{uIdx}(idx));
    disp(['Bit Error Rate for User ' num2str(uIdx) ': ' num2str(ber(uIdx))]);
end

rng(s); % Restore RNG state

Bit Error Rate for User 1: 0
Bit Error Rate for User 2: 0
Bit Error Rate for User 3: 0.00014603

Небольшое количество битовых ошибок, в шумовом отклонении, указывает на успешное декодирование данных для всех потоков для каждого пользователя, несмотря на изменение EVMs, замеченного в отдельных потоках.

Заключение и дальнейшее исследование

Пример показывает, как использовать WINNER II исчезающих Системных объектов канала, чтобы смоделировать многопользовательскую передачу VHT в 802.11ac. Дальнейшее исследование включает модификации в параметры передачи, антенные решетки, сценарии канала, LOS по сравнению с распространением NLOS, моделированием потери на пути и моделированием затенения.

Существует другая версия этого примера в WLAN Toolbox, который использует три независимых TGac исчезающие каналы для трех пользователей: 802.11ac Многопользовательский MIMO, Предварительно кодирующий (WLAN Toolbox).

Приложение

Этот пример использует следующие функции помощника от WLAN Toolbox™:

Выбранная библиография