相控阵MIMO-OFDM预编码
这个例子展示了在MIMO-OFDM通信系统中如何使用相控阵进行波束形成。使用通信工具箱™和相控阵系统工具箱™中的组件，它对包含发射机和前端接收器组件的辐射元件进行建模，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来验证系统的性能。
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。
对于天线阵列和空间复用，需要有效的技术来实现传输[6］.波束形成就是这样一种技术，它被用来提高信噪比(SNR)，最终提高系统性能，这里用误码率(BER)来衡量[1］.
这个例子演示了一个非对称MIMO-OFDM单用户系统，其中发送端和接收端天线单元的最大数目分别为1024和32，最多可包含16个独立数据流。它模拟了一个空间信道，其中阵列位置和天线模式被纳入到整个系统设计中。为简单起见，对单个点对点链路(一个基站与一个移动用户通信)进行建模。链路使用信道探测向发射机提供波束形成所需的信道信息。
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;%独立数据流个数，4/8/16/32/64人口、难民和移民事务局。numTx = 32;%发送天线数人口、难民和移民事务局。numRx = 16;%接收天线数人口、难民和移民事务局。bitsPerSubCarrier = 6;% 2: qpsk, 4: 16qam, 6: 64qam, 8: 256qamprm.numDataSymbols= 10;% OFDM数据符号数人口、难民和移民事务局。fc = 4 e9;% 4 GHz系统人口、难民和移民事务局。chanSRate = 100 e6;%通道采样率，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);%度人口、难民和移民事务局。steeringAngle = [30;-20);%发射转向角(接近移动角)人口、难民和移民事务局。enSteering = true;%启用/禁用操舵
定义系统所采用的OFDM调制的参数如下所示。
人口、难民和移民事务局。FFTLength = 256;人口、难民和移民事务局。CyclicPrefixLength = 64;人口、难民和移民事务局。numCarriers = 234;人口、难民和移民事务局。numguarddbandcarriers = [7 6];人口、难民和移民事务局。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。');人口、难民和移民事务局。CarriersLocations = setdiff ((1: prm.FFTLength),排序(nonDataIdx));numTx = prm.numTx;numRx = prm.numRx;numSTS = prm.numSTS;人口、难民和移民事务局。numFrmBits = numSTS * prm.numDataSymbols * prm.numCarriers *．..prm.bitsPerSubCarrier * 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%通道滤波器延迟人口、难民和移民事务局。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。
人口、难民和移民事务局。cLight = physconst (“光速”）;人口、难民和移民事务局。λ= prm.cLight / prm.fc;%移动位置(xRx yRx zRx] = sph2cart(函数(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;
通道测深
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preambleSigSTS = helperGenPreamble(人口、难民和移民事务局);在numTx上重复%preambleSig = 0(大小(preambleSigSTS, 1), numTx);为i = 1:numSTS preambleSig(:，(i-1)*expFactorTx+(1:expFactorTx)) =．..repmat (preambleSigSTS(:,我),1,expFactorTx);结束%在信道上发送序言[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 =分阶段。ReceiverPreamp (．..“获得”, gainFactor * spLoss,．..%表示路径损失“NoiseFigure”人口、难民和移民事务局。NFig,．..“ReferenceTemperature”, 290,．..“SampleRate”, prm.chanSRate);rxPreSigAmp = rxPreAmp (rxPreSig);rxPreSigAmp = rxPreSigAmp *．..%规模实力(√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.NumGuardBandCarriers。’,．..“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, numRx高清= helperMIMOChannelEstimate (rxOFDM (: 1: numSTS,:),人口、难民和移民事务局);%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diagbfweights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”，“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”，“一点”，．..“UnitAveragePower”,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symIdx = 1: prm.numDataSymbols为carrIdx = 1:人口、难民和移民事务局。numCarriers Q = squeeze(v(carrIdx，:，:));normQ = Q * sqrt(numTx)/norm(Q，“摇来摇去”）;preData carrIdx、symIdx: =．..挤压(gridData (carrIdx、symIdx:))。‘* normQ;结束结束% OFDM调制的数据modulatorOFDM = comm.OFDMModulator (．..“FFTLength”人口、难民和移民事务局。FFTLength,．..“NumGuardBandCarriers”prm.NumGuardBandCarriers。’,．..“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);% Multi-antenna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));%规模实力%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 = 0(大小(txSigSTS, 1), numTx);为i = 1:numSTS txSig(:，(i-1)*expFactorTx+(1:expFactorTx)) =．..repmat (txSigSTS(:,我),1,expFactorTx);结束
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。
该示例在发射器上使用线性阵列或矩形阵列，这取决于选定的数据流数量和发射天线数量。
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n = 1:numTx txSig(:，n) =放大器(txSig(:，n));结束%发射天线阵列定义如果isTxURA均匀矩形阵列arrayTx = phased.URA([expFactorTx,numSTS]，[0.5 0.5]*prm.lambda，．..“元素”,分阶段。IsotropicAntennaElement (“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”,分阶段。IsotropicAntennaElement (“BackBaffled”,真的));结束%用于评估转向重量SteerVecTx =分阶段。SteeringVector (“SensorArray”arrayTx,．..“PropagationSpeed”, prm.cLight);%为被引导的方向生成权重wT = SteerVecTx (prm.fc prm.steeringAngle);%沿操控方向辐射，不合并信号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;结束%可视化数组h =图(“位置”，figposition([10 55 22 35])，菜单条的，“没有”）;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])，菜单条的，“没有”）;h.Name =“发射阵列响应模式”；模式(arrayTx prm.fc,“PropagationSpeed”prm.cLight,“重量”、wT);h =图(“位置”，figposition([54 55 22 35])，菜单条的，“没有”）;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])，菜单条的，“没有”）;h.Name =“发射阵列仰角图”；patternElevation (arrayTx prm.fc,“PropagationSpeed”prm.cLight,．..“重量”、wT);结束
图中显示了多个视图中的阵列几何形状和发射阵列响应。响应显示了由转向角度指定的传输方向。
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。
该模型允许路径损耗建模和视线(LOS)和非视线传播条件。该例子假设非los传播和各向同性天线单元模式与线性几何。
%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 =分阶段。ReceiverPreamp (．..“获得”, gainFactor * spLoss,．..%表示路径损失“NoiseFigure”人口、难民和移民事务局。NFig,．..“ReferenceTemperature”, 290,．..“SampleRate”, prm.chanSRate);%前端放大器增益和热噪声rxSigAmp = rxPreAmp (rxSig);rxSigAmp = rxSigAmp *．..%规模实力(返回值(人口、难民和移民事务局。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”,分阶段。IsotropicAntennaElement (“BackBaffled”,真的));其他的均匀线性阵列arrayRx =分阶段。齿龈(numRx．..“ElementSpacing”0.5 * prm.lambda．..“元素”, phased.IsotropicAntennaElement);结束%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);%沿着移动接收方向行驶如果人口、难民和移民事务局。enSteering rxSteerSig = rxSigAmp.*(wR');其他的rxSteerSig = rxSigAmp;结束%可视化数组h =图(“位置”，figposition([10 20 22 35])，菜单条的，“没有”）;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])，菜单条的，“没有”）;h.Name =“接收阵列方位图”；patternAzimuth (arrayRx prm.fc,“PropagationSpeed”prm.cLight,“重量”,或者说是);如果isRxURA图(“位置”，figposition([76 20 22 35])，菜单条的，“没有”）;h.Name =“接收阵列仰角图”；patternElevation (arrayRx prm.fc,“PropagationSpeed”prm.cLight,．..“重量”,或者说是);结束
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.NumGuardBandCarriers。’,．..“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高清= helperMIMOChannelEstimate (rxOFDM (: 1: numSTS,:),人口、难民和移民事务局);%分配均衡[rxEq, CSI] = helperMIMOEqualize (rxOFDM (numSTS + 1::,:),高清);%软解调scFact = ((prm.FFTLength-sum (prm.NumGuardBandCarriers) 1)．../ prm.FFTLength ^ 2) / numTx;据nVar = noisepow (prm.chanSRate prm.NFig 290) / scFact;rxSymbs = rxEq:) /√(numTx);rxLLRBits = qamdemod (rxSymbs prm.modMode,“UnitAveragePower”,真的,．..“OutputType”，“approxllr”，“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”，“Unquantized”，．..“TrellisStructure”，poly2trellis(7， [133 171 165])，．..“TerminationMethod”，“终止”，．..“OutputDataType”，“双”）;rxDecoded =解码器(rxScaledLLR (:));%解码接收位rxBits = rxDecoded (1: prm.numFrmBits);
对于所建模的MIMO系统，显示的均衡符号的接收星座提供了接收的定性评估。实际误码率通过比较实际发送的比特和接收的解码比特提供了量化的数字。
显示接收星座constDiag = comm.ConstellationDiagram (．..“SamplesPerSymbol”, 1．..“ShowReferenceConstellation”,真的,．..“ReferenceConstellation”，．..qammod ((0: prm.modMode-1)、prm.modMode“UnitAveragePower”,真正的),．..“ColorFading”假的,．..“位置”，figposition([20 20 35 40])，．..“标题”，“平衡的符号”，．..“EnableMeasurements”,真的,．..“MeasurementInterval”长度(rxSymbs));constDiag (rxSymbs);%计算并显示误码率数量= comm.ErrorRate;措施=误码率(txBits rxBits);流(的误码率= % .5f;不。= %d;不。错误= %d\n'，．..(1),(3)措施的人,措施(2));rng(年代);%恢复RNG状态
数量= 0.00000;不。of Bits = 74874;不。误差= 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。
该实例还对前端同步、信道反馈、用户速度和路径损耗模型做了简化假设，这在实际系统中需要进一步考虑。单个系统也有它们自己的过程，这些过程必须被折叠到建模中[2，3.，4］.
探索以下使用的辅助函数:
选定的参考书目
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。
信息技术IEEE标准。系统间电信和信息交换。局域网和城域网。特殊要求。第11部分:无线局域网介质访问控制(MAC)和物理层(PHY)规范。
3 gpp TS 36.213。“物理层过程。”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。WINNER II渠道模型。D1.1.2 V1.2。ist4 -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。
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