相控阵MIMO-OFDM预编码

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这个例子展示了相控阵是如何在采用波束形成的MIMO-OFDM通信系统中使用的。它使用通信工具箱™和相控阵系统工具箱™中的组件，为MIMO-OFDM通信系统建模包括发射机和前端接收器组件的辐射元素。使用用户指定的参数，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。

该示例使用了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

WINNER II通信工具箱的信道模型

简介

MIMO-OFDM系统是当前无线系统(如5G NR, LTE, WLAN)的标准，因为它们对频率选择通道的健壮性和启用的高数据速率。随着对支持的数据速率的需求不断增加，这些系统的配置越来越复杂，天线单元的数量越来越多，资源(子载波)的分配也越来越大。

由于天线阵列和空间多路复用，实现传输的有效技术是必要的[6］．波束形成就是这样一种技术，它被用来提高信噪比(SNR)，从而最终提高系统性能(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，其中发射端和接收端天线单元的最大数量分别可以是1024和32，最多可以有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。为了简单起见，我们建模了一个单点对点链接(一个基站与一个移动用户通信)。链路使用信道探测为发射机提供波束形成所需的信道信息。

该示例提供了几个空间定义的信道模型的选择，特别是WINNER II信道模型和基于散射的模型，这两个模型都考虑了发射/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，以探究它们对系统的影响。

具有多个流的单用户系统人口、难民和移民事务局。numUsers = 1;%用户数人口、难民和移民事务局。numSTS = 16;%独立数据流的数量，4/8/16/32/64人口、难民和移民事务局。numTx = 32;%发射天线数人口、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数据符号的百分比人口、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”；渠道选项:'赢家'，'散射'，%’ScatteringFcn”、“StaticFlat”人口、难民和移民事务局。NFig = 5;噪声数据，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%角指定为[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);%发送转向角度(接近移动角度)人口、难民和移民事务局。enSteering = true;%启用/禁用操舵

定义用于系统的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。numguarbandcarriers = [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%用于通道滤波延迟人口、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框图所示。

根据所建立的空间感知系统的基站位置和移动基站位置计算自由空间路径损失。

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，发射端信道信息的可用性允许应用预编码，以最大化感兴趣方向和信道上的信号能量。在信道变化缓慢的假设下，首先探测信道，对于参考传输，接收端估计信道并将该信息反馈给发送端。

对于所选系统，在所有发射天线单元上发送一个前导信号，并在占信道的接收机上处理。接收组件执行预放大、OFDM解调、频域信道估计和基于每个数据子载波使用奇异值分解(SVD)的信道对角化的反馈权重计算。

生成前导信号preambleSigSTS = helperGenPreamble(人口、难民和移民事务局);%重复numTxpreambleSig = 0(大小(preambleSigSTS, 1), numTx);为i = 1:numSTS preambleSig(:，(i-1)*expFactorTx+(1:expFactorTx)) =.．.repmat (preambleSigSTS(:,我),1,expFactorTx);结束通过通道发送前导[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,.．.%说明路径丢失“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):));%从序言的信道估计% 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);

为了表示简洁，假定前端同步包括载波和定时恢复。使用diagbfweights因此反馈给发射机，供后续应用进行实际数据传输。

数据传输

接下来，我们配置系统的数据发射器。这种处理包括信道编码、位映射到复杂符号、将单个数据流分割为多个发射流、对发射流进行预编码、使用导频映射的OFDM调制和所使用的发射天线的复制。

%卷积编码器编码器= comm.ConvolutionalEncoder (.．.“TrellisStructure”(133 171 165), poly2trellis(7日),.．.“TerminationMethod”，“终止”）;从比特生成映射符号txBits = randi([0,1]，prm.numFrmBits,1);encodedBits =编码器(txBits);%位到QAM符号映射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);对子载波施加预编码权值，假设完全反馈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 =挤压(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序言和数据的前缀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，重新生成前导信号以启用信道估计。它被附加到数据部分以形成传输包，然后在发射天线上复制该传输包。

传输光束控制

相控阵系统工具箱提供了适用于无线通信系统中相控阵的设计和仿真的组件。

对于空间感知系统，从基站传输的信号被引导向移动设备的方向，以便将辐射能量集中到所需的方向。这是通过对每个天线单元应用相移来控制传输来实现的。

该示例在发射机上使用线性或矩形阵列，具体取决于数据流的数量和所选发射天线的数量。

每个天线元件增益%放大器=分阶段。发射机(“PeakPower”1 / numTx,“获得”, 0);%放大以实现每个元素的峰值发射功率为n = 1:numTx txSig(:，n) =放大器(txSig(:，n));结束发射天线阵列定义如果isTxURA%均匀矩形数组arrayTx = phase . 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%用于评估转向的重量SteerVecTx =分阶段。SteeringVector (“SensorArray”arrayTx,.．.“PropagationSpeed”, prm.cLight);为导向方向生成权重wT = SteerVecTx (prm.fc prm.steeringAngle);沿被控方向辐射，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);可视化传输模式和转向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h =图(“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

这些图在多个视图中表示阵列的几何形状和发射阵列的响应。响应显示由转向角指定的传动方向。

该示例假设转向角已知且接近于移动角。在实际系统中，这将从接收机的到达角估计中估计出来，作为信道探测或初始波束跟踪程序的一部分。

信号传播

该示例提供了三种空间MIMO通道选项和一个更简单的静态平坦MIMO通道，以供评估之用。

WINNER II渠道模型[5是一个空间定义的MIMO通道，允许您指定阵列的几何形状和位置信息。它被配置为使用典型的城市微基站室内场景，移动速度非常低。

两个基于散射的通道使用通过每个散射器的单反射路径，其中散射器的数量由用户指定。对于本例，散射体的数量设置为100。“散射”选项将散射器随机放置在发射器和接收器之间的圆圈内，而“散射fcn”则完全随机地模拟它们的位置。

该模型允许路径损耗建模和视距(LOS)和非LOS传播条件。该示例假设非los传播和具有线性几何的各向同性天线单元图。

将一个空间定义的通道应用于被操纵信号。[rxSig, chanDelay] = helperApplyChannel(人口、难民和移民事务局,txSteerSig spLoss, preambleSig);

探测和数据传输使用相同的信道，数据传输的持续时间由数据符号参数的数量控制，prm.numDataSymbols．

接收光束控制

接收器引导入射信号与发射端转向对齐，每个接收单元。采用热噪声和接收机增益。对具有各向同性响应的均匀线性或矩形阵列进行建模，以匹配信道和发射机阵列。

rxPreAmp =分阶段。ReceiverPreamp (.．.“获得”, gainFactor * spLoss,.．.%表示路径丢失“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%均匀矩形数组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);为转向移动方向生成权重或者说是= SteerVecRx (prm.fc toRxAng);沿着移动接收方向驾驶如果人口、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);可视化接收模式和转向h =图(“位置”，figposition([32 20 22 30]));h.Name =“接收数组响应模式”；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 =“接收阵列方位角模式”；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 ='接收阵列仰角模式'；patternElevation (arrayRx prm.fc,“PropagationSpeed”prm.cLight,.．.“重量”,或者说是);结束

接收天线模式反映了传输转向。

信号恢复

接收天线阵列将传播的信号传递给接收器以恢复嵌入信号中的原始信息。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解调器和信道解码器。

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&数据“NumReceiveAntennas”, numRx);% OFDM解调rxOFDM = demodulatorOFDM (.．.rxSteerSig (chanDelay + 1:结束- (prm.numPadZeros-chanDelay):));从映射的序言估计通道高清= 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);在解码之前应用CSIrxLLRtmp =重塑(rxLLRBits prm.bitsPerSubCarrier, [],.．.prm.numDataSymbols numSTS);csitmp =重塑(CSI 1 [], 1, numSTS);rxScaledLLR = rxLLRtmp。* csitmp;软输入信道解码解码器= comm.ViterbiDecoder (.．.“InputFormat”，“Unquantized”，.．.“TrellisStructure”，poly2trellis(7， [133 171 165])，.．.“TerminationMethod”，“终止”，.．.“OutputDataType”，“双”）;rxDecoded =解码器(rxScaledLLR (:));已解码的接收位rxBits = rxDecoded (1: prm.numFrmBits);

对于模拟的MIMO系统，显示的接收星座的均衡符号提供了接收的定性评估。实际误码率通过比较实际传输的比特和接收的解码比特提供定量的数字。

%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);%计算和显示误码率数量= comm.ErrorRate;措施=误码率(txBits rxBits);流(的误码率= % .5f;不。of Bits = %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。的比特= 74874;不。Of errors = 0

结论与进一步探索

该示例强调了在波束形成的MIMO-OFDM系统中使用相控天线阵列。它考虑到了单个用户系统的基站和移动站阵列的空间几何形状和位置。通过信道探测，说明了如何在当前无线系统中实现预编码，以及如何建模天线阵列的转向。

在可配置参数的集合中，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、通道模型及其配置，以研究参数对系统的单独或组合影响。例如，只要改变发射天线的数量，就可以看到对导向波束的主瓣和由此产生的系统性能的影响。

实例还对前端同步、通道反馈、用户速度和路径损耗模型进行了简化假设，对于实际系统需要进一步考虑。各个系统也有自己的过程，必须折叠到建模中[2，3.，4］．

探索以下使用的辅助函数:

选定的参考书目

佩拉西亚，埃尔达德，还有罗伯特·史黛西。下一代无线局域网:802.11n和802.11ac。剑桥大学出版社，2013。
IEEE信息技术标准。系统间的电信和信息交换。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。”第三代伙伴关系项目;技术规范组无线电接入网;进化的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)无线电传输和接收。第三代伙伴关系项目;技术规范组无线电接入网;进化的通用地面无线电接入(E-UTRA)。URL:https://www.3gpp.org．
Kyosti, Pekka, Juha Meinila，等。渠道模型。D1.1.2 V1.2。WINNER II, 2007年9月。
George Tsoulos，编著，“无线通信的MIMO系统技术”，CRC出版社，波卡拉顿，佛罗里达州，2006年。