一、前言

本例显示了相控阵在采用波束成形的MIMO-OFDM通信系统中的使用。它使用通信工具箱和相控阵系统工具箱中的组件，对组成发射器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。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。

二、介绍

MIMO-OFDM系统是当前无线系统（例如5G NR，LTE，WLAN）的常态，因为它们对频率选择信道和启用的高数据速率具有鲁棒性。随着对支持数据速率的要求不断提高，这些系统的配置变得越来越复杂和庞大，天线元件数量和分配的资源（子载波）越来越多。

对于天线阵列和空间复用，实现传输的有效技术是必要的[6]。波束成形就是这样一种技术，用于提高信噪比（SNR），最终提高系统性能，此处以误码率（BER）[1]来衡量。

本例 说明 一个 非 对称 MIMO-OFDM 单 用户 系统， 其中 发射 端 和 接收 端 的 天线 元件 数量 可 分别 为 1024 个 和 32 个， 最多 16 个 独立 的 数据 流。它对空间信道进行建模，其中阵列位置和天线方向图被整合到整个系统设计中。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）进行了建模。链路使用信道探测为发射器提供波束成形所需的信道信息。

该示例提供了一些空间定义信道模型的选择，特别是WINNER II信道模型和基于散射的模型，两者都考虑了发射/接收空间位置和天线模式。

三、系统参数

定义系统的参数。可以修改这些参数以探索它们对系统的影响。下面指定了用于定义系统使用的 OFDM 调制的参数。

示例中建模的信道探测、数据传输和接收处理过程如以下框图所示。

自由空间路径损耗是根据建模的空间感知系统的基站和移动站位置计算的。

四、信道探测

对于空间多路复用系统，发射器的通道信息的可用性允许应用预编码，以最大化目标方向和通道的信号能量。在信道缓慢变化的假设下，通过首先探测信道来促进这一点，其中对于参考传输，接收器估计信道并将此信息反馈给发射器。

对于所选系统，前导码信号通过所有发射天线元件发送，并在占信道的接收器处进行处理。接收机组件执行前放大、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） 基于信道对角化计算反馈权重。

为了简洁地呈现，假设前端同步，包括载波和定时恢复。因此，使用计算的权重将反馈到变送器，用于实际数据传输的后续应用。diagbfweights

五、数据传输

接下来，我们配置系统的数据发送器。该处理包括信道编码、到复杂符号的位映射、将单个数据流拆分为多个发射流、发射流的预编码、带导频映射的 OFDM 调制以及所采用发射天线的复制。

对于预编码，重新生成前导码信号以实现通道估计。它被附加到数据部分以形成传输数据包，然后通过发射天线进行复制。

六、发射光束控制

相控阵系统工具箱提供适用于无线通信系统中使用的相控阵设计和仿真的组件。

对于空间感知系统，从基站传输的信号被转向移动的方向，以便将辐射能量集中在所需的方向上。这是通过对每个天线元件施加相移来控制传输来实现的。

该示例在发射器上使用线性或矩形阵列，具体取决于数据流的数量和所选的发射天线数量。

这些图表示阵列几何形状和多个视图中的发射阵列响应。响应显示由转向角指定的传输方向。

该示例假设转向角已知且接近移动角度。在实际系统中，这将通过接收器的到达角估计来估计，作为信道探测或初始波束跟踪程序的一部分。

七、信号传播

该示例提供了三个空间 MIMO 通道选项和一个用于评估目的的更简单的静态平面 MIMO 通道。

WINNER II 通道模型是一个空间定义的 MIMO 通道，允许您指定阵列几何形状和位置信息。它配置为使用移动速度非常低的典型城市微蜂窝室内场景。

两个基于散射的通道使用通过每个散射体的单反弹路径，其中散射体的数量由用户指定。在本例中，散射点数设置为 100。“散射”选项模拟随机放置在发射器和接收器之间的圆圈内的散射体，而“散射Fcn”则完全随机地模拟它们的位置。

这些模型允许路径损耗建模以及视距 （LOS） 和非 LOS 传播条件。该示例假设非LOS传播和具有线性几何形状的各向同性天线元素方向图。

探空和数据传输使用相同的信道，数据传输具有更长的持续时间，由数据符号数参数控制。

八、接收波束控制

接收器引导入射信号，使其与每个接收元件的发射端转向对齐。应用热噪声和接收器增益。对具有各向同性响应的均匀线性或矩形阵列进行建模，以匹配通道和发射器阵列。

接收天线方向图反映了传输转向。

九、信号恢复

接收天线阵列将传播的信号传递给接收器，以恢复嵌入在信号中的原始信息。与发射器类似，MIMO-OFDM 系统中使用的接收器包含许多组件，包括 OFDM 解调器、MIMO 均衡器、QAM 解调器和通道解码器。

对于 所 建模 的 MIMO 系统， 显示 的 均衡 符号 接收 星座 提供 接收 的 定性 评估。实际误码率通过将实际传输的位与接收到的解码位进行比较来提供定量数字。

十、结论

该示例重点介绍了相控天线阵列在波束成形MIMO-OFDM系统中的使用。它考虑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。它使用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对天线阵列的转向进行建模。

在可配置参数集中，您可以改变数据流的数量、发射/接收天线元件、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个或组合影响。例如，仅改变发射天线的数量，以查看对转向波束主瓣的影响以及由此产生的系统性能。

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，这些假设需要进一步考虑用于实际系统。各个系统也有自己的程序，必须将其折叠到建模中。

十一、程序

使用Matlab R2022b版本，点击打开。（版本过低，运行该程序可能会报错）

打开下面的“Example.m”文件，点击运行，就可以看到上述效果。

程序下载：https://download.csdn.net/download/weixin_45770896/87666619