Автореферат (Исследование и разработка алгоритмов адаптации пространственного мультиплексирования к канальным условиям в системах беспроводного доступа), страница 3

В существующих системах используют расстояние порядкаполовины длины волны несущего колебания. Прием осуществляется на несколько приемныхантенн, число которых должно быть не меньше числа передающих. Так как излучаемые сигналы не ортогональны, взаимовлияние параллельных каналов приводит к энергетическимпотерям и ухудшению помехоустойчивости в сравнении с ПМСР. Одним из возможных вариантов оптимизации работы V-BLAST является адаптивное пространственное мультиплексирование A-V-BLAST, то есть ПМ с низкоскоростной ОС для адаптации числа параллельных каналов и возможности перехода к более помехоустойчивым методам передачи (пространственному кодированию, разнесенному приему).

Функциональность адаптивной работы MIMO-систем заложена в передовых стандартах связи (LTE-A, WIMAX, WIFI). Однако,разработка конкретных алгоритмов переключения режимов работы выходит за рамки стандартов и является актуальной задачей, решаемой в последующих главах.Предполагается, что адаптивный подход должен строиться на существующем подходек мультиплексированию без ОС – V-BLAST, но учитывать факторы, влияющие на его энергетическую и спектральную эффективность.

Уравнение MIMO-системы в комплексноматричной форме выглядит следующим образом:Y  HX  N(1)где Y – комплексный вектор принятых сигналов NПРМАx1, H – комплексная канальная матрица NПРМАxNПРДА, X – комплексный вектор переданных сигналов NПРДАx1, N – комплексныйвектор шумов NПРМАx1.

(1) не что иное, как система линейных алгебраических уравнений.Для того чтобы система (1) имела решение, канальная матрица должна быть невырожденной.Структура и характеристики канальной матрицы H отражают условия распространения радиоволн в канале связи.

Канальная матрица состоит из коэффициентов передачи hkl между lой передающей и k-ой приемной антеннами. Из линейной алгебры известно, что погрешность решения системы линейных алгебраических уравнений при зашумленных входныхданных будет тем больше, чем больше число обусловленности матрицы-оператора H. Характеристики канальной матрицы, следовательно, и радиоканала, могут оказывать существенноевлияние на энергетическую эффективность пространственного мультиплексирования идолжны быть учтены при построении алгоритмов адаптации.Вторая глава посвящена анализу энергетической и спектральной эффективностипространственного мультиплексирования при различных условиях распространения радиоволн, характерных для широкого спектра реальных радиоканалов.

Взаимовлияние параллельных каналов передачи ведет к ухудшению помехоустойчивости. Для канальных матриц10близких к вырожденным энергетические потери, вызванные взаимными помехами междупараллельно транслируемыми сигналами, составляют ~5 дБ по уровню 1% вероятностиошибки на брутто-бит (кодированный бит) при V-BLAST 4x4 с КАМ4. При повышениикратности модуляции энергетические потери, вносимые межканальной интерференцией,увеличиваются (в аналогичном сценарии для КАМ16 потери порядка ~10 дБ).Исследования проводились с использованием имитационной модели MIMO-системыи модели многолучевого радиоканала, построенной на основе законов геометрической оптики. Предложен метод классификации радиоканалов, основанный на оценке чисел обусловленности формируемых канальных матриц. Каждый класс радиоканала с определенной протяженностью и степенью многолучевости описывается статистическими характеристикамичисел обусловленности формируемых канальных матриц, которые рассматриваются как случайные величины.

По характеристикам чисел обусловленности стандартизованным сценариям 3GPP Spatial Channel Model (SCM) Urban Micro, Urban Macro, Suburban Macro соответствуют каналы небольшой (до 300λ) и средней протяженности (до 3000λ). Проведено статистическое исследование зависимости помехоустойчивости системы связи с пространственным мультиплексированием от свойств канальных матриц и радиоканалов. Эффективноефункционирование пространственного мультиплексирования возможно лишь в ограниченной группе многолучевых радиоканалов, имеющих небольшую и среднюю протяженность. Вканалах с большой протяженностью трассы распространения являются сильно коррелированными, что приводит к формированию канальных матриц с большими числами обусловленности, и, как следствие, ухудшению помехоустойчивости.

Энергетические потери могутВероятность ошибки на битдостигать 30 дБ по уровню 1% вероятности ошибки на бит.РезультатыДлина 100λ, 2 луча100λ, 4 луча100λ, 16 лучей1000λ, 2 луча1000λ, 4 луча1000λ, 16 лучей3000λ, 2 луча3000λ, 4 луча3000λ, 16 лучей-101моделированияпоказывают, что ПМ V-BLAST разумно использовать на большихотношениях сигнал/шум, при этомчислоодновременныхпростран-ственно мультиплексируемых пото--102ков должно выбираться в соответствии с канальными условиями. Былвыполнен расчет теоретической до--103010203040506070h2Б,ЭК, дБРисунок 1 Кривые помехоустойчивости V-BLAST4x4 c КАМ4; приемник МПстижимойудельнойпропускнойспособности (ДУПС) для ПМСР врассмотренных классах радиокана-лов. Качественно результаты V-BLAST и ПМСР схожи между собой – максимальный эффект11за счет пространственного уплотнения может быть достигнут при больших ОСШ на радиолиниях небольшой протяженности.

В радиоканалах с малым числом обусловленностиканальных матриц ПМСР и V-BLAST показывают пиковую пропускную способность с максимальным числом одновременно работающих подканалов. На низких ОСШ от какого-либопространственного мультиплексирования стоит отказываться. На средних и больших ОСШспектральная эффективность ПМ зависит от канальных условий, которые должны приниматься в рассмотрение при построении алгоритмов адаптации к радиоканалу.Приведенные выше результаты были получены для приемника максимального правдоподобия (МП). В работе дан обзор существующих упрощенных приемников MIMO (Zeroforcing, MMSE, SIC, сферический декодер, алгоритм полуопределенной релаксации), выполнено моделирование и проведена сравнительная оценка.

Потери в помехоустойчивости, связанные с канальными условиями, возрастают при использовании упрощенных решений.Предложен комбинированный приемник, обладающий помехоустойчивостью метода максимального правдоподобия, – сферический декодер с первичным решением релаксированнойзадачи поиска МП. Проведено сравнение помехоустойчивости предложенного приемника исферического декодера для MIMO 16х16 с модуляцией КАМ256, при этом время обработкиодного пакета было ограничено. Предложенный алгоритм укладывается во временной лимитчаще в рабочем диапазоне отношения сигнал/шум, что приводит к лучшей помехоустойчивости при ограниченном времени декодирования (~3 дБ по уровню 1% вероятности ошибкина бит).В третьей главе рассматриваются адаптивные способы передачи в MIMO-системах,которые позволяют оптимизировать спектральную и энергетическую эффективность их использования.На рисунке 2 при-АБГШ.Радиоканал.Низкоскоростная обратная связь...АБГШ+ведена структурная схе...Блок адаптацииГрупповой приемник..+Блок оценки канальных коэффициентов.Блок выбора режимаработы MIMOДемультиплексор.Hма адаптивной системыA-V-BLAST, с возможностью выбора режимаработы MIMO.

В блокеадаптациинаосновеопределенного критерияРисунок 2 Структурная схема A-V-BLASTвырабатываетсянизко-скоростной сигнал ОС, содержащий информацию о режиме работы MIMO/числе каналов,которые могут быть задействованы. В реальных условиях радиоканал может меняться вовремени, поэтому помехоустойчивость пространственного мультиплексирования зависит от12конкретной реализации радиоканала в текущий момент времени. Целью применения алгоритмов адаптации является увеличение спектральной эффективности или повышение помехоустойчивости.Когда одна и та же спектральная эффективность может быть достигнута разными методами передачи, встает задача разработки алгоритма переключения режимов MIMO с цельюминимизации вероятности ошибки на бит. Рассмотрим систему MIMO с возможностью переключения между пространственным мультиплексированием (ПМ) и пространственновременным блочным кодированием (ПВБК).

Чтобы спектральная эффективность передачиоставалась постоянной, необходимо выбрать соответствующие схемы модуляции и кодирования для ПМ и ПВБК. Сложность существующего оптимального решения значительна, таккак требует полного перебора всех возможных комбинаций переданных кодовых слов (si – iое кодовое слово для ПМ, ci – i-ое кодовое слово для ПВБК) друг с другом с учетом текущейреализации канальной матрицы:2d 2 min, ПМ  min H ( si  s j ) ; d 2 min, ПВБК  min H ПВБК (ci  c j )s cs ch hH   11 12  ; H ПВБКh21 h22  h11h  21* h12 *h22h12 h22 * h11 * h21 2(2)(3)Если d 2 min, ПВБК  d 2 min, ПМ , то выбираем ПВБК.