使用相控阵的MIMO-OFDM预编码

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此示例显示了采用波束成形的MIMO-OFDM通信系统中使用相控阵列。使用来自Communications Toolbox™和相控阵系统工具箱™的组件，它模拟包括发射器和前端接收器组件的辐射元件，用于MIMO-OFDM通信系统。通过用户指定的参数，您可以根据不同空间位置和阵列大小的误码率和星座验证系统的性能。

该示例使用通信工具箱和相控阵系统工具箱中的函数和系统对象™，并要求

通信工具箱的WINNER II信道模型

介绍

MIMO-OFDM系统是当前无线系统(如5G NR、LTE、WLAN)的规范，因为它对频率选择通道的鲁棒性和启用了高数据速率。随着对支持数据速率的需求不断增加，这些系统在配置上越来越复杂和庞大，天线单元的数量和资金宝app源(子载波)的分配也越来越多。

通过天线阵列和空间复用，有效的技术来实现传输[6.］．波束成形是一种这样的技术，它用于改善最终改善系统性能的信噪比（SNR），如误码率（BER）所测量的那样，在此测量1］．

该示例说明了非对称MIMO-OFDM单用户系统，其中发送和接收端的最大天线元件数可以分别为1024和32，最多16个独立的数据流。它模拟了一个空间通道，其中阵列位置和天线图案结合到整个系统设计中。为简单起见，建模单个点对点链路（与一个移动用户通信的一个基站）被建模。该链接使用信道听起来为发送器提供所需的频道信息。

该示例提供了几种空间定义的信道模型，特别是WINNER II信道模型和基于散射的模型，这两种模型都考虑了发射/接收空间位置和天线模式。

s = rng (61);为可重复性设置RNG状态

系统参数

为系统定义参数。可以修改这些参数，以了解其对系统的影响。

多流单用户系统人口、难民和移民事务局。numUsers = 1;％用户数量人口、难民和移民事务局。numSTS = 16;％数据流的数量，4/8/16/32/64prm.numtx = 32;%发送天线数人口、难民和移民事务局。numRx = 16;％接收天线数量prm.bitspersubcarrier = 6;% 2: qpsk, 4: 16qam, 6: 64qam, 8: 256qamprm.numdatasymbols = 10;% OFDM数据符号数PRM.FC = 4E9;% 4 GHz系统prm.chansrate = 100e6;％信道采样率，100 msps人口、难民和移民事务局。ChanType ='散射'；%通道选项:'WINNER'， 'Scattering'，%’ScatteringFcn”、“StaticFlat”人口、难民和移民事务局。NFig = 5;%噪声系数，dB％数组位置和角度人口、难民和移民事务局。posTx = (0, 0, 0);% BS/发射阵列位置，[x;y;z]，米人口、难民和移民事务局。mobileRange = 300;%米%指定角度为[方位角;仰角]，az=[-90 90]， el=[-90 90]人口、难民和移民事务局。mobileAngle = [33;0);％程度人口、难民和移民事务局。steeringAngle = [30;-20);％透射转向角度（靠近Mobileangle）人口、难民和移民事务局。enSteering = true;％启用/禁用转向

定义系统所采用的OFDM调制的参数如下所示。

prm.fftlength = 256;prm.cyclicprefixlength = 64;prm.numcarriers = 234;prm.numguardbandcarriers = [7 6];prm.pilotcarrierindices = [26 54 90 118 140 168 204 232];Nondataidx = [（1：PRM.NumguardBandCarriers（1））';prm.fftlength / 2 + 1;.．.(prm.FFTLength-prm.NumGuardBandCarriers (2) + 1: prm.FFTLength) ';.．.prm.pilotcarrierindices。';];PRM.CarriersLocations = setDiff（（1：prm.fftlength）'，sort（nondataidx））;numtx = prm.numtx;numrx = prm.numrx;numsts = prm.numsts;prm.numfrmbits = numsts * prm.numdatasymbols * prm.numcarriers *.．.prm.bitspersubcarier * 1/3-6;%终止位的帐户人口、难民和移民事务局。modMode = 2 ^ prm.bitsPerSubCarrier;%调制顺序频道滤波器延迟的％帐户prm.numpadzeros = 3 *（prm.fftlength + prm.cyclicprefixlength）;％获取发送和接收数组信息人口、难民和移民事务局。numSTSVec = numSTS;[isTxURA, expFactorTx isRxURA expFactorRx] = helperArrayInfo(人口、难民和移民事务局,真实);

本例中建模的信道探测、数据传输和接收的处理过程如下图所示。

基于所建模的空间感知系统，根据基站和移动基站的位置计算自由空间路径损耗。

prm.clight = physconst（'LightSpeed'）;Prm.lambda = prm.clight / prm.fc;%移动位置[XRX，YRX，ZRX] = SPH2CART（DEG2RAD（PRM.MOBILEANGLE（1）），.．.函数prm.mobileAngle (2)), prm.mobileRange);人口、难民和移民事务局。posRx = (xRx; yRx; zRx);[toRxRange, toRxAng] = rangeangle (prm.posTx prm.posRx);spLoss = fspl (toRxRange prm.lambda);gainFactor = 1;

频道听起来

对于空间多路复用系统，在发射机处信道信息的可用性允许应用预编码以在感兴趣的方向和信道上最大化信号能量。在缓慢变化信道的假设下，这是易于通过探测信道首先，其中为参考传输，接收机估计信道并将此信息反馈给发射机。

对于所选的系统，前导信号通过所有发射天线单元发送，并在接收端处理信道。接收机组件执行预放大、OFDM解调、频域信道估计，并使用每个数据子载波的奇异值分解(SVD)计算基于信道对角化的反馈权值。

%生成前置信号PreeAblesigsts = HelpergenProdeamble（PRM）;在numTx上重复%preamblesig = zeros（大小（preambleglegsts，1），numtx）;为了i = 1：numsts preeAbleble（：，（i-1）* expactortx +（1：expactortx））=.．.repmat（前期前锋（：，i），1，expactortx）;结尾％在通道上传输序言[rxPreSig, chanDelay] = helperApplyChannel(人口、难民和移民事务局,preambleSig spLoss);%前端放大器增益和热噪声rxpreamp = phased.receiverProamp（.．.“获得”, gainFactor * spLoss,.．.%表示路径损失“NoiseFigure”，prm.nfig，.．.'referenceTemperature', 290,.．.“SampleRate”, prm.chanSRate);rxPreSigAmp = rxPreAmp (rxPreSig);rxPreSigAmp = rxPreSigAmp *.．.％级别功率(√prm.FFTLength-sum prm.NumGuardBandCarriers) 1) / (prm.FFTLength));％OFDM解调demodulatorOFDM = comm.OFDMDemodulator (.．.“FFTLength”人口、难民和移民事务局。FFTLength,.．.“NumGuardBandCarriers”，prm.numguardandcarriers。'，.．.“RemoveDCCarrier”,真的,.．.“PilotOutputPort”,真的,.．.'pilotcarrierindices'prm.PilotCarrierIndices。’,.．.'cyclicprefixlength'人口、难民和移民事务局。CyclicPrefixLength,.．.“NumSymbols”，numsts，.．.%序言符号单独“NumReceiveAntennas”，numrx）;rxofdm = demodulatorofdm（.．.rxPreSigAmp (chanDelay + 1:结束- (prm.numPadZeros-chanDelay):));信道估计从序言% numCarr, numSTS, numRxHD = Helpermimochannelestimate（Rxofdm（：，1：numsts，:)，prm）;％计算反馈权重v = diagbfweights (hD);

为了简洁，我们假设了包括载波和定时恢复在内的前端同步。使用digbfweights.然后反馈给发射机，用于后续实际数据的传输。

数据传输

接下来，我们配置系统的数据发送器。这种处理包括信道编码、到复杂符号的位映射、将单个数据流分割为多个发送流、发送流的预编码、使用导频映射的OFDM调制和发射天线的复制。

％卷积编码器编码器= comm.ConvolutionalEncoder (.．.“TrellisStructure”(133 171 165), poly2trellis(7日),.．.“TerminationMethod”那“终止”）;%从位生成映射符号txBits = randi([0,1]，prm.numFrmBits,1);encodedBits =编码器(txBits);%位到QAM符号的映射mappedSym = qammod (encodedBits prm.modMode,“InputType”那'少量'那.．.'onemaveragepower',真正的);%映射到层:每个符号，每个数据流gridData =重塑(mappedSym prm.numCarriers、prm.numDataSymbols numSTS);%对子载波应用预编码权，假设是完美反馈preData =复杂(0 (prm.numCarriers, prm.numDataSymbols numSTS));为了symIdx = 1: prm.numDataSymbols为了carridx = 1：prm.numcarriers q =挤压（v（carridx，：，:)）;organq = q * sqrt（numtx）/ norm（q，“摇来摇去”）;predata（carridx，symidx，:) =.．.挤压（Griddata（Carridx，Symidx，:)）。'* NORMQ;结尾结尾% OFDM调制的数据modulatorofdm = comm.ofdmmodulator（.．.“FFTLength”人口、难民和移民事务局。FFTLength,.．.“NumGuardBandCarriers”，prm.numguardandcarriers。'，.．.“InsertDCNull”,真的,.．.'pilotinputport',真的,.．.'pilotcarrierindices'prm.PilotCarrierIndices。’,.．.'cyclicprefixlength'人口、难民和移民事务局。CyclicPrefixLength,.．.“NumSymbols”prm.numDataSymbols,.．.'numtransmitantennas', numSTS);％多天线飞行员飞行员= helperGenPilots (prm.numDataSymbols numSTS);txOFDM = modulatorOFDM (preData,飞行员);txOFDM = txOFDM * (prm。FFTLength /.．.√prm.FFTLength-sum prm.NumGuardBandCarriers) 1));％级别功率%生成带有反馈权重的前导和数据的前置preambleSigD = helperGenPreamble(人口、难民和移民事务局,v);txSigSTS = [preambleSigD; txOFDM];%重复numTxtxsig = zeros（大小（txsigsts，1），numtx）;为了i = 1:numSTS txSig(:，(i-1)*expFactorTx+(1:expFactorTx)) =.．.repmat (txSigSTS(:,我),1,expFactorTx);结尾

对于预编码，前导信号被重新生成以进行信道估计。它被附加到数据部分以形成传输包，然后在传输天线上复制。

传输光束控制

相控阵系统工具箱提供了适合于设计和模拟无线通信系统中使用的相控阵的组件。

对于空间感知系统，将基站发射的信号转向移动的方向，从而将辐射能量集中到所需要的方向。这是通过对每个天线元件应用相移来控制传输来实现的。

该示例在发射器处使用线性或矩形阵列，具体取决于所选择的数据流的数量和发送天线的数量。

每天线元件增益%放大器=分阶段。发射机(“PeakPower”1 / numTx,“获得”, 0);%放大以达到每个元件的峰值发射功率为了n = 1：numtx txsig（：，n）=放大器（txsig（：，n））;结尾％发送天线阵列定义如果isTxURA均匀矩形阵列arraytx = phased.ura（[expactortx，numsts]，[0.5 0.5] * prm.lambda，.．.'元素'，序列。异丙啶anteNneElement（“BackBaffled”,真的));其他的％均匀线性阵列arrayTx =分阶段。齿龈(numTx.．.“ElementSpacing”0.5 * prm.lambda.．.'元素'，序列。异丙啶anteNneElement（“BackBaffled”,真的));结尾评估转向权重的％SteerVecTx =分阶段。SteeringVector ('sensorarray'arrayTx,.．.“PropagationSpeed”，prm.clight）;％为转向方向产生重量wT = SteerVecTx (prm.fc prm.steeringAngle);％沿着转向方向辐射，没有信号组合radiatorTx =分阶段。散热器(“传感器”arrayTx,.．.“WeightsInputPort”,真的,.．.“PropagationSpeed”，prm.clight，.．.“OperatingFrequency”，prm.fc，.．.“CombineRadiatedSignals”、假);如果人口、难民和移民事务局。enSteering txSteerSig = radiatorTx(txSig,repmat(prm.mobileAngle,1,numTx)，.．.连词(wT));其他的txSteerSig = txSig;结尾％可视化数组h =图（'位置'，figposition([10 55 22 35])，'菜单栏'那'没有任何'）;h.Name =“传送阵几何”；viewArray (arrayTx);想象发射模式和转向h =图（'位置'，figposition([32 55 22 30])，'菜单栏'那'没有任何'）;h.Name ='发送阵列响应模式'；模式(arrayTx prm.fc,“PropagationSpeed”，prm.clight，'重量'、wT);h =图（'位置'，图（[54 55 22 35]），'菜单栏'那'没有任何'）;h.Name =“发射阵列方位图”；patternAzimuth (arrayTx prm.fc,“PropagationSpeed”，prm.clight，'重量'、wT);如果isTxURA h = figure('位置'，figposition([76 55 22 35])，'菜单栏'那'没有任何'）;h.Name =“发射阵列仰角图”；patternElevation (arrayTx prm.fc,“PropagationSpeed”，prm.clight，.．.'重量'、wT);结尾

绘图指示阵列几何和多个视图中的发送阵列响应。响应显示由转向角指定的传输方向。

这个例子假设了已知的转向角和接近移动角。在实际系统中，这将作为信道测深或初始波束跟踪程序的一部分，从接收机的到达角估计进行估计。

信号传播

该示例为空间MIMO信道提供了三个选项，并为评估目的提供了一个简单的静态平坦MIMO信道。

WINNER II渠道模式[5.是一个空间定义的MIMO信道，允许您指定阵列几何形状和位置信息。它被配置为使用典型的城市微蜂窝室内场景，移动速度非常低。

两个基于散射的通道使用单反弹路径通过每个散射体，其中散射体的数量是用户指定的。对于本例，散射体的数量被设置为100。“散射”选项将散射体随机放置在发射器和接收器之间的一个圆圈内，而“散射fcn”则将其完全随机放置。

模型允许路径损耗建模和视线（LOS）和非LOS传播条件。该示例假设具有线性几何形状的非LOS传播和各向同性天线元件图案。

%对受控信号应用一个空间定义的通道[rxSig, chanDelay] = helperApplyChannel(人口、难民和移民事务局,txSteerSig spLoss, preambleSig);

探测和数据传输采用同一信道，数据传输持续时间较长，由数据符号数参数控制，prm.numdatasymbols.。

接收光束控制

接收器控制事件信号，使其与发射端控制对齐，每个接收元件。应用了热噪声和接收机增益。采用各向同性响应的均匀线性或矩形阵列来匹配信道和发射机阵列。

rxpreamp = phased.receiverProamp（.．.“获得”, gainFactor * spLoss,.．.%表示路径损失“NoiseFigure”，prm.nfig，.．.'referenceTemperature', 290,.．.“SampleRate”, prm.chanSRate);%前端放大器增益和热噪声rxSigAmp = rxPreAmp (rxSig);rxSigAmp = rxSigAmp *.．.％级别功率（sqrt（prm.fftlength  -  sum（prm.numguardbandcarriers）-1）/（prm.fftlength））;％接收数组如果isRxURA均匀矩形阵列arrayRx = phased.URA ([expFactorRx numSTS], 0.5 * prm.lambda,.．.'元素'，序列。异丙啶anteNneElement（“BackBaffled”,真的));其他的％均匀线性阵列arrayrx = phased.ula（numrx，.．.“ElementSpacing”0.5 * prm.lambda.．.'元素', phased.IsotropicAntennaElement);结尾%用于评估接收侧转向重量SteerVecRx =分阶段。SteeringVector ('sensorarray'arrayRx,.．.“PropagationSpeed”，prm.clight）;%生成朝向移动方向的权重或者说是= SteerVecRx (prm.fc toRxAng);沿着移动接收方向的％转向如果prm.enstering rxsteersig = rxsigamp。*（wr'）;其他的rxSteerSig = rxSigAmp;结尾％可视化数组h =图（'位置'，图（[10 20 22 35]），'菜单栏'那'没有任何'）;h.Name =“接收阵列几何”；viewArray (arrayRx);想象接收模式和转向h =图（'位置'，figposition([32 20 22 30]);h.Name =“接收阵列响应模式”；模式(arrayRx prm.fc,“PropagationSpeed”，prm.clight，'重量',或者说是);h =图（'位置'，figposition([54 20 22 35])，'菜单栏'那'没有任何'）;h.Name =“接收阵列方位图”；Pictorageazimuth（arrayrx，prm.fc，“PropagationSpeed”，prm.clight，'重量',或者说是);如果isRxURA图('位置'，figposition([76 20 22 35])，'菜单栏'那'没有任何'）;h.Name =“接收阵列仰角图”；patternElevation (arrayRx prm.fc,“PropagationSpeed”，prm.clight，.．.'重量',或者说是);结尾

接收天线方向图反映了传输转向。

信号恢复

接收天线阵列将传播的信号传递给接收机，恢复嵌入在信号中的原始信息。与发射机类似，MIMO-OFDM系统中使用的接收机包含许多组件，包括OFDM解调器、MIMO均衡器、QAM解调器和信道译码器。

demodulatorOFDM = comm.OFDMDemodulator (.．.“FFTLength”人口、难民和移民事务局。FFTLength,.．.“NumGuardBandCarriers”，prm.numguardandcarriers。'，.．.“RemoveDCCarrier”,真的,.．.“PilotOutputPort”,真的,.．.'pilotcarrierindices'prm.PilotCarrierIndices。’,.．.'cyclicprefixlength'人口、难民和移民事务局。CyclicPrefixLength,.．.“NumSymbols”, numSTS + prm.numDataSymbols,.．.%序言和数据“NumReceiveAntennas”，numrx）;％OFDM解调rxofdm = demodulatorofdm（.．.rxSteerSig (chanDelay + 1:结束- (prm.numPadZeros-chanDelay):));%从映射的序言进行信道估计HD = Helpermimochannelestimate（Rxofdm（：，1：numsts，:)，prm）;%分配均衡[rxeq，csi] = HelpermoimoEqualize（rxofdm（：，numsts + 1：结束，:)，hd）;%软解调scfact =（（prm.fftlength-sum（prm.numguardbandcarriers）-1）.．./prm.fftlength^2）/ numtx;nvar = noisepow（prm.chansrate，prm.nfig，290）/ scfact;rxsymbs = rxeq（:) / sqrt（numtx）;rxllrbits = qamdemod（rxsymbs，prm.modmode，'onemaveragepower',真的,.．.'OutputType'那'近似'那“NoiseVariance”据nVar);%在解码前应用CSIrxLLRtmp =重塑(rxLLRBits prm.bitsPerSubCarrier, [],.．.prm.numDataSymbols numSTS);csitmp =重塑(CSI 1 [], 1, numSTS);rxScaledLLR = rxLLRtmp。* csitmp;软输入信道译码解码器= comm.viterbidecoder（.．.“InputFormat”那“Unquantized”那.．.“TrellisStructure”，poly2trellis(7， [133 171 165])，.．.“TerminationMethod”那“终止”那.．.“OutputDataType”那“双”）;rxDecoded =解码器(rxScaledLLR (:));%解码接收位rxbits = rxdecoded（1：prm.numfrmbits）;

对于模型的MIMO系统，所显示的均衡符号的接收星座提供了对接收的定性评估。实际误码率通过将实际发送位与接收的解码位进行比较，提供定量图。

显示接收星座constDiag = comm.ConstellationDiagram (.．.“SamplesPerSymbol”, 1.．.“ShowReferenceConstellation”,真的,.．.“ReferenceConstellation”那.．.qammod ((0: prm.modMode-1)、prm.modMode'onemaveragepower',真正的),.．.“ColorFading”假的,.．.'位置'，图（[20 20 35 40]），.．.'标题'那'均等的符号'那.．.“EnableMeasurements”,真的,.．.'MeasurementInterval'长度(rxSymbs));constDiag (rxSymbs);%计算并显示误码率Ber = Comm.Errorrate;措施= BER（TXBITS，RXBITS）;fprintf（的误码率= % .5f;不。= %d;不。错误= %d\n'那.．.(1),(3)措施的人,措施(2));rng(年代);％恢复rng状态

BER = 0.00000;比特数= 74874;错误数= 0

结论与进一步探索

这个例子强调了相控天线阵列在波束形成MIMO-OFDM系统中的使用。它解释了单个用户系统的基站和移动基站阵列的空间几何形状和位置。以信道测深为例，说明了在目前的无线系统中如何实现预编码，以及如何建立天线阵的转向模型。

在一组可配置参数中，您可以改变数据流的数量、发射/接收天线单元、站或阵列位置和几何形状、信道模型及其配置，以研究参数对系统的单独或联合影响。例如，只需改变发射天线的数量，就可以看到对操纵波束的主瓣和由此产生的系统性能的影响。

该示例还简化了前端同步，信道反馈，用户速度和路径损耗模型的假设，这需要进一步考虑实际系统。各个系统还有自己的程序，必须折叠到建模中[2那3.那4.］．

探索以下使用的辅助函数:

选定的书目

佩拉希娅，伊尔达德和罗伯特·斯泰西。下一代无线局域网:802.11n和802.11ac。剑桥大学出版社，2013。
IEEE®STD802.11™-2012信息技术的IEEE标准 - 系统之间的电信和信息交流 - 本地和大都市区域网络 - 特定要求 - 第11部分：无线LAN介质访问控制（MAC）和物理层（PHY）规格。
3GPP TS 36.213。“物理层程序。”第三代合作伙伴项目;技术规范组无线接入网;发展了通用地面无线电接入(E-UTRA)。URL:https://www.3gpp.org。
3 gpp TS 36.101。用户设备(UE)无线电发射和接收。第三代合作伙伴项目;技术规范组无线接入网;发展了通用地面无线电接入(E-UTRA)。URL:https://www.3gpp.org。
Kyosti，Pekka，Juha Meinila，等。获奖者II频道模型。D1.1.2，V1.2。IST-4-027756 Winner II，2007年9月。
George Tsoulos, Ed.，“无线通信MIMO系统技术”，CRC出版社，Boca Raton，佛罗里达州，2006。