的802.11ac发射波束形成
这个例子展示了IEEE®802.11ac™链路的性能如何在发射机提供信道状态信息的情况下通过波束形成传输来提高。
介绍
发射波束形成将能量集中到接收器，以提高链路的信噪比。在这种方案中，发射机称为波束形成器，接收机称为波束形成器。波束形成器使用一个控制矩阵将能量导向波束形成器。利用通过信道测量得到的信道状态信息，计算出转向矩阵。在ieee802.11 ac [1这些测量是通过探测波束形成器和波束形成器之间的信道来获得的。为了发出声音，波束形成器向波束形成器发送一个NDP(空数据包)。beamformee使用探测提供的信道信息来计算反馈矩阵。这个矩阵以压缩格式反馈到波束形成器。然后波束形成器可以使用反馈矩阵创建一个转向矩阵和波束形成传输到波束形成。形成转向矩阵的过程如下图所示。
在ieee802.11 ac中，单用户的beamformee能力不是强制性的。因此，多天线发射机可能不得不使用不同的方案来将数据包发送到不能作为波束形成的接收机。其中一个方案是空间扩展。空间扩展允许在更多的发射天线上传输更多的时空流。与直接映射空时流传输天线相比，使用空间扩展可以在平坦衰落信道中提供较小的发射分集增益[2]。
在本例中，发射机和接收机之间考虑一个4x2 MIMO配置，使用两个时空流进行数据包传输。首先考虑接收机不能作为波束形成的情况。利用空间扩展进行传输，恢复数据符号，测量信号质量。为了显示传输波束形成的好处，数据包随后通过相同的信道实现传输，但这次使用的是传输波束形成。然后比较了两种方案的性能。这些阶段如下图所示。
波形的配置
本例中使用了具有两个时空流的4x2 MIMO配置。
NumTxAnts = 4;%发射天线数量NumSTS = 2;空时流的数量％NumRxAnts = 2;％的接收天线的数目
使用VHT格式配置对象描述了VHT波形的特定格式配置。在本例中，波形配置为20 MHz带宽和上面指定的MIMO配置。
cfgVHT = wlanVHTConfig;cfgVHT。ChannelBandwidth =“CBW20”;cfgVHT。APEPLength = 4000;cfgVHT。NumTransmitAntennas = NumTxAnts;cfgVHT。NumSpaceTimeStreams = NumSTS;cfgVHT。MCS = 4;% 16-QAM，率3/4
通道配置
在这个例子中一个TGAC信道模型使用具有延迟分布模型-B。信道实现以种子控制，以允许重复性。
tgacChannel = wlanTGacChannel;tgacChannel。DelayProfile ='型号-B';tgacChannel.ChannelBandwidth = cfgVHT.ChannelBandwidth;tgacChannel.SampleRate = wlanSampleRate（cfgVHT）;tgacChannel.NumReceiveAntennas = NumRxAnts;tgacChannel.NumTransmitAntennas = NumTxAnts;tgacChannel.TransmitReceiveDistance = 100;％计tgacChannel。RandomStream =“mt19937ar与种子”;tgacChannel。种子= 70;种子允许重复
在功率为1的通道输出时，在时域波形中加入噪声，noisePower。
noisePower = -37;%瓦分贝
设置其他对象和变量进行仿真。
提取字段的索引印第安纳州= wlanFieldIndices (cfgVHT);％AWGN信道，以与指定的噪声功率的噪声添加。随机过程控制噪声产生的种子，以允许重复性。awgnChannel = comm.AWGNChannel;awgnChannel。RandomStream =“mt19937ar与种子”;awgnChannel。种子= 5;awgnChannel。NoiseMethod =“方差”;awgnChannel。Variance = 10^(noisePower/10);%计算OFDM解调后的期望噪声方差noiseVar = vhtBeamformingNoiseVariance（noisePower，cfgVHT）;空间流的数量Nss = NumSTS / (cfgVHT.STBC + 1);％获取占用的子载波在VHT场数ofdmInfo = wlanVHTOFDMInfo (“VHT-Data”，cfgVHT）;NST = ofdmInfo.NumTones;生成一个将被传输的随机PSDURNG（0）;为重复性设置随机状态psdu = randi([0 1]，cfgVHT.PSDULength*8,1);
空间扩展传输
首先，利用空间扩展进行传输。这种类型的传输可以由一个多天线发射机发送到一个不具备波束形成能力的接收机。的SpatialMapping属性允许选择不同的空间映射方案。在本例中，[的第2.3.11.1.1.2节提供了空间扩展矩阵的示例。3.使用)。因此“自定义”配置了空间映射。属性来分配自定义空间映射矩阵SpatialMappingMatrix格式配置对象的。该矩阵描述了每个空时流的每个子载波到所有发射天线的映射。因此所使用的空间映射矩阵的大小为NST-逐NSTS逐Nt个。望远镜为已占用子载波数，望远镜是时空流的数量，和NT为发射天线的数量。空间映射矩阵复制一些时空流，以形成所需的传输流数量。
配置空间扩展传输vhtSE = cfgVHT;vhtSE。年代patialMapping =“自定义”;%使用自定义空间扩展矩阵vhtSE。年代patialMappingMatrix = helperSpatialExpansionMatrix(vhtSE);%生成波形tx = wlanWaveformGenerator (psdu vhtSE);将波形通过衰落信道并添加噪声。落后于0添加%以允许信道滤波器延迟。rx = tgacChannel ([tx;NumTxAnts 0(15日)]);允许随后使用相同的通道实现重置(tgacChannel);rx = awgnChannel (rx);％允许相同的噪声实现对随后用于重置(awgnChannel);估计符号定时t关闭= 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);
对接收到的数据域进行解调和均衡，以恢复每个空间流的OFDM符号。
对数据进行解调和均衡vhtdata = rx(设备+ (ind.VHTData (1): ind.VHTData (2)),:);[~,~,symSE] = wlanVHTDataRecover (vhtdata、chanEstSE noiseVar, vhtSE,…'PilotPhaseTracking',“没有”);
每个空间流的星座如下图所示。
refSym = wlanReferenceSymbols（cfgVHT）;%参考星座seConst = vhtBeamformingPlotConstellation（symSE，refSym，…“空间扩展传播均衡符号”);
在星座中的方差为约对于每个空间流一样的信噪比大致相同。这是因为，在信道的平均功率是平均约相同的每空时流：
disp (“平均每个时空流接收到的信道功率为:”)为i = 1:NumSTS fprintf('空时流％d：％2.2FW¯¯\ N',我,…总和(意思是(chanEstSE(:,:)。*连词(chanEstSE(:,我,:)),1),3))结束
空时流1:0.73 W，空时流2:0.50 W
传播与波束形成
当接收端能够形成波束时，波束形成的传输可以产生比空间扩展更高的信噪比。现在，我们将展示使用通道状态信息来创建和使用指导矩阵的好处。为了计算波束形成的指导矩阵，一个NDP通过通道。“直接”NDP传输采用空间映射，空时流的数量与发射天线的数量相匹配。这使得VHT-LTF可以用于每个发射天线和接收天线之间的声音信道。计算出的波束形成矩阵用于波束形成a传输通过通道。测深和数据传输采用相同的信道实现，波束形成器和波束形成器之间不存在反馈压缩，因此在本例中波束形成堪称完美。
配置一个语音数据包vhtSound = cfgVHT;vhtSound。APEPLength = 0;NDP％所以没有数据vhtSound。NumSpaceTimeStreams = NumTxAnts;vhtSound。年代patialMapping =“直接”;％每个TXANT携带STS％生成冠冕堂皇波形soundingPSDU = [];TX = wlanWaveformGenerator（soundingPSDU，vhtSound）;将测深波形通过通道并添加噪声。落后于0添加%以允许信道滤波器延迟。rx = tgacChannel ([tx;NumTxAnts 0(15日)]);允许随后使用相同的通道实现重置(tgacChannel);rx = awgnChannel (rx);％允许相同的噪声实现对随后用于重置(awgnChannel);估计符号定时有钱人= wlanSymbolTimingEstimate (rx (ind.LSTF (1): ind.LSIG (2):), vhtSound.ChannelBandwidth);
信道估计是使用探测包来估计每个发射和接收天线之间的实际信道响应。
%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);
使用该信道估计wlanVHTLTFChannelEstimate包括在发送器上对每个空时流施加的循环移位。为了计算波束形成的控制矩阵，将在发射机上施加的循环移位从信道估计中去除。
从信道估计的循环移位％删除冲击chanEstSound = vhtBeamformingRemoveCSD (chanEstSound,…vhtSound.ChannelBandwidth vhtSound.NumSpaceTimeStreams);
在本例中，波束形成指导矩阵是使用奇异值分解(SVD)计算的[3.]。信道矩阵的奇异值分解得到两个幺正矩阵，U和V，和奇异值的对角矩阵年代。首先NumSTS列V每个副载波作为波束形成的控制矩阵。SVD是使用该函数计算的圣言会。
chanEstPerm = permute(chanEstSound，[3 2 1]);%置换到Nr-by-Nt-by-NstV = 0(望远镜,NumTxAnts NumRxAnts);为I = 1：的N st [U，S，V（I，：，:)] = SVD（chanEstPerm（：，：，i）中，“经济学”);结束steeringMatrix = V (:: 1: NumSTS);％NST-通过-NT-逐NSTS
将计算得到的波束形成指导矩阵作为自定义空间映射矩阵，用于通过同一信道发送数据。
用波束形成配置一个传输vhtBF = cfgVHT;vhtBF。年代patialMapping =“自定义”;％置换引导矩阵到NST-逐NSTS逐Nt个vhtBF。年代patialMappingMatrix = permute(steeringMatrix,[1 3 2]);生成波束形成的数据传输tx = wlanWaveformGenerator (psdu vhtBF);通过通道并添加噪声。落后于0添加%以允许信道滤波器延迟。rx = tgacChannel ([tx;NumTxAnts 0(15日)]);rx = awgnChannel (rx);估计符号定时t关闭= 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);
对接收到的数据域进行解调和均衡，以恢复每个空间流的OFDM符号。
对数据进行解调和均衡vhtdata = rx(设备+ (ind.VHTData (1): ind.VHTData (2)),:);[〜，〜，symBF] = wlanVHTDataRecover（vhtdata，chanEstBF，noiseVar，vhtBF，…'PilotPhaseTracking',“没有”);
每个空间流的均衡星座如下图所示。注意，高阶空间流的方差较大。这是由于在SVD波束形成中使用的通道的有序奇异值。
bfConst = vhtBeamformingPlotConstellation（symBF，refSym，…“波束传输均衡符号”);
这种顺序也可以在接收到的时空流的平均功率中看到。接收到的第一时空流的功率大于第二时空流。这是因为接收到的信号强度是通道奇异值的函数，SVD对通道奇异值的排序是递减的。
disp (‘SVD发射波束形成的每个空时流平均接收信道功率:’)为i = 1:NumSTS fprintf('空时流％d：％2.2FW¯¯\ N',我,…总和（平均值（chanEstBF（：，I，：）*缀（chanEstBF（：，I，:)），1），3））结束
用SVD传输波束形成的每个空时流的平均接收信道功率:空时流1:2.08 W空时流2:0.45 W
比较和结论
下图绘制了所有空间流的空间扩展和波束形成传输的均衡星座。注意，改进的星座使用基于svd的发射波束形成。
str = sprintf (“% dx % d '、NumTxAnts NumRxAnts);的翻译是:compConst = vhtBeamformingPlotConstellation([symSE(:) symBF(:)]，refSym，…“波束传输均衡符号”,…{(str“空间拓展”]、[str传输波束形成的]});
改进也可以通过RMS和最大误差向量量(EVM)来测量。EVM是一种解调信号质量的测量方法。
EVM = comm.EVM;EVM.AveragingDimensions = [1 2];所有子载波和符号的平均值维生素。MaximumEVMOutputPort = true;维生素。ReferenceSignalSource =“参考星座估算”;维生素。ReferenceConstellation = refSym;挣值管理(rmsEVMSE maxEVMSE] =都(symSE);使用空间扩展％EVM[rmsEVMBF，maxEVMBF] = EVM（symBF）;% EVM使用波束形成为I = 1：Nss为fprintf中（[空间流%d EVM:\n'…'空间扩展:%2.1f% RMS， %2.1f% max\n'…'发射波束形成:%2.1f% RMS， %2.1f% max\n'),…我,rmsEVMSE(我),maxEVMSE(我),rmsEVMBF(我),maxEVMBF (i));结束
空间流1 EVM：空间扩展：9.2％RMS，44.8％最大发射波束成形：2.0％RMS，8.6％的最大空间流2 EVM：空间扩展：9.2％RMS，52.3％最大发射波束成形：4.1％RMS，12.7％最大
这个例子表明，如果一个接收器能够成为一个波束形成，那么当传输波束形成时，与空间扩展传输相比，信噪比有可能得到改善。当使用波束形成时，接收功率的增加可以导致更可靠的解调，甚至可能导致更高阶的调制和编码方案用于传输。
在实际的操作仿真中，由于波束形成和反馈量化在信道状态信息计算和反馈之间存在时滞，波束形成的性能会受到影响。有关更多信息，请参阅[2]。
附录
这个例子使用了以下的帮助函数:
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。
佩拉希亚，伊利达和罗伯特·斯泰西。下一代无线LANS：802.11n和802.11ac标准。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:无线局域网媒体访问控制(MAC)和物理层(PHY)规范。
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