802.11交流传输波束形成

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这个例子展示了如何提高性能的IEEE 802.11®ac™链接时,波束形成传输信道状态信息是可用的发射机。

介绍

传输波束形成集中精力向接收机改善信噪比的一个链接。在这个方案发射机称为beamformer和接收机称为beamformee。使用指导矩阵beamformee beamformer直接能量。指导矩阵计算使用信道状态信息通过信道测量。在IEEE 802.11 ac (1这些测量是通过测深beamformer和beamformee之间的通道。声音通道beamformer发送一个民主党beamformee(空数据包)。beamformee使用渠道提供的信息听起来计算反馈矩阵。这个矩阵是beamformer反馈压缩格式。beamformer可以使用反馈矩阵来创建一个转向矩阵和beamform beamformee传输。形成的过程指导矩阵这个图所示。

在IEEE 802.11交流单用户beamformee能力不是强制性的。因此multi-antenna发射机可能不得不使用一个不同的计划数据包传输到接收机不能作为beamformee。一个这样的空间扩张计划。空间扩张允许更大的时空流传输发射天线的数量。使用空间扩张可以提供一个小发射分集增益与平坦衰落通道相比,直接映射时空流传输天线(2]。

在本例中4 x2 MIMO配置被认为是发射机和接收机之间,有两个时空流用于数据包传输。第一场景的接收机无法beamformee被认为是。使用空间扩张和数据传输是由符号是恢复和信号质量测量。显示传输波束形成的好处然后传送数据包在同一通道实现,但这一次使用传输波束形成。然后比较两方案的性能。这些阶段如下图所示。

波形的配置

4 x2天线系统配置与2本例使用时空流。

NumTxAnts = 4;%的发送天线数量NumSTS = 2;%的时空流NumRxAnts = 2;%的接收天线

描述的格式VHT波形的特定的配置是使用VHT格式配置对象。在这个例子中,波形配置一个20 MHz带宽和天线系统配置指定的上面。

cfgVHT = wlanVHTConfig;cfgVHT。ChannelBandwidth =“CBW20”;cfgVHT。APEPLength = 4000;cfgVHT。NumTransmitAntennas = NumTxAnts;cfgVHT。NumSpaceTimeStreams = NumSTS;cfgVHT。MCS = 4;% 16-QAM, 3/4

通道配置

在这个例子TGac通道模型使用延迟概要b型。通道实现控制种子允许可重复性。

tgacChannel = wlanTGacChannel;tgacChannel。DelayProfile =“b型”;tgacChannel。ChannelBandwidth = cfgVHT.ChannelBandwidth;tgacChannel。年代ampleRate = wlanSampleRate(cfgVHT); tgacChannel.NumReceiveAntennas = NumRxAnts; tgacChannel.NumTransmitAntennas = NumTxAnts; tgacChannel.TransmitReceiveDistance = 100;%米tgacChannel。RandomStream =“与种子mt19937ar”;tgacChannel。种子= 70;%种子允许可重复性

添加噪声的时域波形的输出通道与权力,noisePower。

noisePower = -37;%瓦分贝

设置其他对象和变量的模拟。

%指数提取字段印第安纳州= wlanFieldIndices (cfgVHT);% AWGN信道与指定添加噪声噪声功率。随机%过程控制噪音的产生是播种允许可重复性。awgnChannel = comm.AWGNChannel;awgnChannel。RandomStream =“与种子mt19937ar”;awgnChannel。种子= 5;awgnChannel。NoiseMethod =“方差”;awgnChannel。Variance = 10^(noisePower/10);%计算预期的OFDM解调后噪声方差noiseVar = vhtBeamformingNoiseVariance (noisePower cfgVHT);%的空间流Nss = NumSTS / (cfgVHT.STBC + 1);%得到VHT领域占领了副载波的数量ofdmInfo = wlanVHTOFDMInfo (“VHT-Data”,cfgVHT);望远镜= ofdmInfo.NumTones;%生成一个随机PSDU将传播rng (0);%设置随机状态可重复性psdu =兰迪([0,1],cfgVHT.PSDULength * 8, 1);

传播与空间扩张

第一个传输是由使用空间扩张。这种类型的传输可能由multi-antenna发射机,接收机无法beamformee。的SpatialMapping属性的格式配置对象允许不同的空间映射方案被选中。在这个例子中部分中提供的示例空间扩张矩阵2.3.11.1.1.2 [3使用)。因此“自定义”空间映射配置。自定义空间映射矩阵分配使用SpatialMappingMatrix配置对象的格式。这个矩阵描述的映射每个副载波为每个时空流传输天线。因此空间映射矩阵的大小是使用Nst-by-Nsts-by-Nt。望远镜是被占领的副载波的数量,望远镜时空流的数量,Nt是发射天线的数量。空间映射矩阵复制一些时空流形成所需的传输流的数量。

%配置空间扩张传播vhtSE = cfgVHT;vhtSE。年代patialMapping =“自定义”;%使用自定义空间扩张矩阵vhtSE。年代patialMappingMatrix = helperSpatialExpansionMatrix(vhtSE);%生成波形tx = wlanWaveformGenerator (psdu vhtSE);%通过波形通过衰落信道和添加噪声。落后于0%被添加到允许延迟通道过滤器。rx = tgacChannel ([tx;NumTxAnts 0(15日)]);%随后允许使用相同的通道实现重置(tgacChannel);rx = awgnChannel (rx);%随后允许使用相同的噪声实现重置(awgnChannel);%符号定时估计有钱人= wlanSymbolTimingEstimate (rx (ind.LSTF (1): ind.LSIG (2):), vhtSE.ChannelBandwidth);%信道估计vhtltf = rx(设备+ (ind.VHTLTF (1): ind.VHTLTF (2)),:);vhtltfDemod = wlanVHTLTFDemodulate (vhtltf vhtSE);chanEstSE = wlanVHTLTFChannelEstimate (vhtltfDemod vhtSE);

接收的数据字段是解调和恢复平衡的OFDM符号为每个空间流。

%解调和平衡数据vhtdata = rx(设备+ (ind.VHTData (1): ind.VHTData (2)),:);[~,~,symSE] = wlanVHTDataRecover (vhtdata、chanEstSE noiseVar, vhtSE,…“PilotPhaseTracking”,“没有”);

下面绘制每个空间流的星座。

refSym = wlanReferenceSymbols (cfgVHT);%参考星座seConst = vhtBeamformingPlotConstellation (symSE refSym,…“空间扩张传输平衡的符号”);

星座的差异大约是相同的每个空间流信噪比大约是相同的。这是因为信道的平均功率每个时空流平均大约是相同的:

disp (”的意思是收到每个时空通道功率流与空间扩张:“)为i = 1: NumSTS流(“时空流% d: % 2.2 f W \ n”,我,…总和(意思是(chanEstSE(:,:)。*连词(chanEstSE(:,我,:)),1),3))结束

用空间扩张意味着权力每收到通道时空流:时空流1:0.73 W时空流2:0.50 W

传播与波束形成

当接收机能够beamformee, beamformed传输空间扩张相比,可以创建一个更高的信噪比。我们现在将显示的优势通道状态信息可用于创建和使用一个转向矩阵。计算一个波束形成指导矩阵,一个民主党通过的通道。“直接”空间映射是用于新民主党传输和时空流的数量配置匹配传输天线的数量。这允许使用VHT-LTF声音每个发射天线和接收天线之间的通道。计算波束形成矩阵用于beamform通过信道传输。同一个通道实现用于探测和数据传输和压缩beamformee和beamformer之间没有反馈,因此波束形成可以被看作是完美的在这个例子。

%配置一个包vhtSound = cfgVHT;vhtSound。APEPLength = 0;%民主党所以没有数据vhtSound。NumSpaceTimeStreams = NumTxAnts;vhtSound。年代patialMapping =“直接”;%每个TxAnt携带一个STS%生成探测波形soundingPSDU = [];tx = wlanWaveformGenerator (soundingPSDU vhtSound);%测深波形穿过英吉利海峡并添加噪声。落后于0%被添加到允许延迟通道过滤器。rx = tgacChannel ([tx;NumTxAnts 0(15日)]);%随后允许使用相同的通道实现重置(tgacChannel);rx = awgnChannel (rx);%随后允许使用相同的噪声实现重置(awgnChannel);%符号定时估计有钱人= wlanSymbolTimingEstimate (rx (ind.LSTF (1): ind.LSIG (2):), vhtSound.ChannelBandwidth);

信道估计是使用测深包估计实际执行的每个传输和接收天线之间的信道响应。

%信道估计vhtLLTFInd = wlanFieldIndices (vhtSound,“VHT-LTF”);vhtltf = rx(设备+ (vhtLLTFInd (1): vhtLLTFInd (2)),:);vhtltfDemod = wlanVHTLTFDemodulate (vhtltf vhtSound);chanEstSound = wlanVHTLTFChannelEstimate (vhtltfDemod vhtSound);

信道估计使用wlanVHTLTFChannelEstimate包括循环变化应用于每个时空流的发射机。计算波束形成指导矩阵循环变化应用在发射机中信道估计。

%去除信道估计循环移位的影响chanEstSound = vhtBeamformingRemoveCSD (chanEstSound,…vhtSound.ChannelBandwidth vhtSound.NumSpaceTimeStreams);

在这个例子中,波束形成转向使用奇异值分解矩阵计算(计算)3]。信道矩阵的奇异值分解的结果在两个酉矩阵,U和V和一个对角矩阵的奇异值年代。第一个NumSTS列V每副载波被用作波束形成指导矩阵。使用函数计算是计算圣言会。

chanEstPerm =排列(chanEstSound [3 2 1]);%排列Nr-by-Nt-by-NstV = 0(望远镜,NumTxAnts NumRxAnts);为i = 1:望远镜(U, V(我::)]=圣言(chanEstPerm(:,:我),“经济学”);结束steeringMatrix = V (:: 1: NumSTS);% Nst-by-Nt-by-Nsts

上面的波束形成指导矩阵计算应用作为一个自定义空间映射矩阵,用于发送数据通过相同的频道。

%配置传输波束形成vhtBF = cfgVHT;vhtBF。年代patialMapping =“自定义”;%排列转向Nst-by-Nsts-by-Nt矩阵vhtBF。年代patialMappingMatrix = permute(steeringMatrix,[1 3 2]);%生成beamformed数据传输tx = wlanWaveformGenerator (psdu vhtBF);%通过通道和添加噪声。落后于0%被添加到允许延迟通道过滤器。rx = tgacChannel ([tx;NumTxAnts 0(15日)]);rx = awgnChannel (rx);%符号定时估计有钱人= wlanSymbolTimingEstimate (rx (ind.LSTF (1): ind.LSIG (2):), vhtBF.ChannelBandwidth);%信道估计vhtltf = rx(设备+ (ind.VHTLTF (1): ind.VHTLTF (2)),:);vhtltfDemod = wlanVHTLTFDemodulate (vhtltf vhtBF);chanEstBF = wlanVHTLTFChannelEstimate (vhtltfDemod vhtBF);

接收的数据字段是解调和恢复平衡的OFDM符号为每个空间流。

%解调和平衡数据vhtdata = rx(设备+ (ind.VHTData (1): ind.VHTData (2)),:);[~,~,symBF] = wlanVHTDataRecover (vhtdata、chanEstBF noiseVar, vhtBF,…“PilotPhaseTracking”,“没有”);

每个空间的平衡的星座下面绘制流。注意,高阶空间流有一个较大的方差。这是由于渠道的命令奇异值用于计算波束形成。

bfConst = vhtBeamformingPlotConstellation (symBF refSym,…“Beamformed传输平衡的符号”);

这个命令也可见的平均功率收到时空流。收到的力量第一时空流大于第二时空流。这是因为接收到的信号强度是一个函数的奇异值的通道计算订单减少的方式。

disp (”的意思是收到每个时空通道功率流计算传输波束形成:“)为i = 1: NumSTS流(“时空流% d: % 2.2 f W \ n”,我,…总和(意思是(chanEstBF(:,:)。*连词(chanEstBF(:,我,:)),1),3))结束

的意思是收到每个时空通道功率流计算传输波束形成:时空流1:2.08 W时空流2:0.45 W

比较和结论

下面的图块的平衡的星座空间扩张和beamformed传输空间流。注意改进的星座使用SVD-based传输波束形成。

str = sprintf (“% dx % d '、NumTxAnts NumRxAnts);compConst = vhtBeamformingPlotConstellation ([symSE (:) symBF (:)), refSym,…“Beamformed传输平衡的符号”,…{(str“空间扩张”]、[str传输波束形成的]});

改善也可以测量通过RMS和最大误差向量幅度(维生素)。维生素是一种衡量解调信号的质量。

维生素与= comm.EVM;维生素。AveragingDimensions = (1 - 2);%的平均超过所有副载波和符号维生素。MaximumEVMOutputPort = true;维生素。ReferenceSignalSource =“估计从参考星座”;维生素。ReferenceConstellation = refSym;挣值管理(rmsEVMSE maxEVMSE] =都(symSE);挣值管理%都使用空间扩张挣值管理(rmsEVMBF maxEVMBF] =都(symBF);挣值管理%都使用波束形成为i = 1: Nss流([“空间流% d维生素:\ n”…的空间扩张:% 2.1 f % % RMS, % 2.1 f % %马克斯\ n '…“传输波束形成:% 2.1 f % % RMS, % 2.1 f % %马克斯\ n '),…我,rmsEVMSE(我),maxEVMSE(我),rmsEVMBF(我),maxEVMBF (i));结束

空间流1维生素:空间扩张:RMS 9.2%, 44.8%最大传输波束形成:RMS 2.0%, 8.6% max空间流2维生素:空间扩张:RMS 9.2%, 52.3%最大传输波束形成:4.1% RMS, 12.7% max

这个例子表明,如果接收器能够beamformee,信噪比可以提高传输时beamformed相比空间扩张传播。使用波束形成时接收功率的增加可能导致更可靠的解调或甚至一个高阶调制和编码方案用于传输。

在实际操作模拟波束形成的性能会退化由于延迟之间的信道状态信息由beamformee和反馈量化计算和反馈。更多信息,请参见[2]。

附录

这个示例使用这些辅助函数。

选定的参考书目

IEEE Std 802.11 ac™-2013 IEEE标准信息技术——之间的通信和信息交换系统-本地和市区网络特定需求-第11部分:无线局域网介质访问控制(MAC)和物理层(体育)规范-第四修正案:增强对高吞吐量在乐队低于6 GHz。
Perahia、Eldad和罗伯特·斯泰西。下一代无线局域网:802.11 802.11 n和交流。剑桥大学出版社,2013年。
IEEE Std 802.11™-2012 IEEE标准信息技术——之间的通信和信息交换系统-本地和市区网络特定需求-第11部分:无线局域网介质访问控制(MAC)和物理层规范(体育)。