Диссертация (Исследование и разработка алгоритмов адаптации пространственного мультиплексирования к канальным условиям в системах беспроводного доступа), страница 17

Данный результатиспользуется, чтобы ограничить выражение (3-29):SNRkZF ³ l2min ( H )ESN ПРМА N 0(3-31)Теперь, зная, что ОСШ ограничено минимальным сингулярным числомдля упрощенного способа приема, вычислим граничное минимальное сингулярное число:ZFSNRПорогN ПРМА N 0= l2min,порог( H )ES(3-32)Следовательно,lmin,порог( H ) =ZFSNRПорогN ПРМА N 0ES(3-33)Правило для выбора числа каналов и антенн, которые следует использовать, чтобы вероятность битовой ошибки не была бы превышена ни в одномрадиоканале, выглядит следующим образом:· Имеется оценка канальной матрицы H. Рассмотрим максимальное допустимое число параллельных каналов передачи.· Если минимальное сингулярное число больше порогового, то такой режим будет удовлетворять требованиям к вероятности битовых ошибок àвыход из цикла.· Если минимальное сингулярное число меньше порогового, то такой режим не будет удовлетворять требованиям к вероятности битовых ошибокà уменьшаем число каналов на один.· Убираем по очереди один из каналов.

Для каждой комбинации оставшихся каналов будем иметь по одному минимальному сингулярному числу.107· Оставим те комбинации, у которых минимальное сингулярное числобольше порога.o Если комбинации есть, выберем ту из них, у которой минимальноесингулярное число максимально à выход из цикла.o Если таких комбинаций нет, уменьшаем число каналов на один ипроверяем минимальные сингулярные числа снова.· Если остался один канал передачи, выход из цикла.Предложенный алгоритм позволяет не только указать максимально допустимое число параллельных каналов для передачи данных, но и выбрать наиболее помехоустойчивые из них.3.3.2 Результаты имитационного моделированияПредлагается следующая методика оценки алгоритмов адаптации с цельюоптимизации пропускной способности при контроле вероятности битовыхошибок.

Имеется MIMO система 4х4, модуляционная схема КАМ4, максимальное число параллельных каналов пространственного мультиплексирования 4.Результатом работы адаптационного алгоритма является определение числа каналов для максимизации достижимой удельной пропускной способности(ДУПС) при сохранении вероятности битовых ошибок меньше порогового значения 1.8х10-2 в соответствии с данными предварительного имитационного моделирования (Таблица 3).

Заметим, это вероятность битовой ошибки для брутто-бита (ббит). Вероятность информационной битовой ошибки при этом былабы 10-5. Максимальная удельная скорость передачи брутто-бит составляет 8бит/с/Гц при 4 каналах по 2 брутто-бита в каждом. На рисунках ниже принятыследующие обозначения: «АМПС» – алгоритм максимизации пропускной способности (3-2), «Адаптив» – предложенный алгоритм адаптации с контролемвероятности битовых ошибок, «1 канал» – используется один канал передачи,«4 канала» – используется 4 одновременных пространственно мультиплексируемых канала (V-BLAST 4x4).108Результаты имитационного моделирования приведены для релеевскогорадиоканала (между каждой приемной и каждой передающей антенной суще-Удельная скорость передачи при заданном качестве, бит/с/Гцствует независимый релеевский радиоканал).81 канал4 каналаАМПСАдаптив76543210-10-5051015ОСШ, дБ20253035Рисунок 37 Удельная скорость передачи A-V-BLAST 4x4 при КАМ4 с заданным качеством0Вероятность битовой ошибки104 канала1 каналАдаптивАМПС-110-210-310-410-510-10-5051015ОСШ, дБ20253035Рисунок 38 Вероятность битовой ошибки A-V-BLAST 4x4 при КАМ410914 канала3 канала2 канала1 каналВероятность0.80.60.40.20-10-5051015ОСШ, дБ20253035Рисунок 39 Вероятность появления определенного числа каналов A-VBLAST 4x4 (АДАПТИВ) при КАМ414 канала3 канала2 канала1 каналВероятность0.80.60.40.20-10-5051015ОСШ, дБ20253035Рисунок 40 Вероятность появления определенного числа каналов A-VBLAST (АМПС) 4x4 при КАМ41101Вероятность0.80.60.40.2000.20.40.60.811.2Минимальное сингулярное число1.41.61.8Рисунок 41 Интегральная функция распределения минимального сингулярного числа A-V-BLAST 4x4 при КАМ4Результаты имитационного моделирования для идеального MIMO каналаУдельная скорость передачи при заданном качестве, бит/с/Гц(без межканальной интерференции и замираний):81 канал4 каналаАМПСАдаптив76543210-10-5051015ОСШ, дБ20253035Рисунок 42 Удельная скорость передачи A-V-BLAST 4x4 при КАМ4 с заданным качеством без межканальной интерференции1110Вероятность битовой ошибки104 канала1 каналАдаптивАМПС-110-210-310-410-510-10-5051015ОСШ, дБ20253035Рисунок 43 Вероятность битовой ошибки A-V-BLAST 4x4 при КАМ4 безмежканальной интерференции14 канала3 канала2 канала1 каналВероятность0.80.60.40.20-10-5051015ОСШ, дБ20253035Рисунок 44 Вероятность появления определенного числа каналов A-VBLAST (АДАПТИВ) 4x4 при КАМ4 без межканальной интерференцииВероятность битовой ошибки, как ожидалось, после достижения уровня1.8х10-2 не поднимается выше при увеличении числа одновременных каналов.

9классов каналов по предложенной классификации радиоканалов имеют аналогичное поведение кривой помехоустойчивости. Когда число каналов макси112мально (4 канала), то вероятность битовой ошибки начинает снижаться. Худшим каналом, у которого в переходной области кривая помехоустойчивостиидет по уровню ~10-2, оказался «идеальный».

Это объясняется тем, что порогипереключения получены из кривых для одноканального случая без замираний.Идеальный MIMO канал как раз такой случай – нет взаимной интерференциимежду каналами, замираний на трассах также нет. То есть существуют 4 независимых канала. Однако, с учетом перераспределения мощности, оказываетсяоптимальным включение одного канала на низких ОСШ до тех пор, пока вероятность битовой ошибки не соответствует требованиям.

Как только может бытьвключен хотя бы один канал, алгоритм рекомендует использовать все доступные параллельные каналы передачи.Сравнивая предложенный алгоритм с существующими, можно сказать,что известные адаптационные решения не привязаны к реально используемымалгоритмам обработки и качеству передачи (помехоустойчивости). Результатыимитационного моделирования показывают, что предложенный алгоритм позволяет реализовать адаптивное переключение числа каналов при сохранениивероятности битовых ошибок ниже заданного предела и работать при низкихОСШ в режимах с ограниченным числом параллельных каналов передачи.3.4 ВыводыАдаптация – необходимое условие оптимальной работы системы связи сMIMO. Если требуемая спектральная эффективность может быть достигнутанесколькими способами передачи, то встает вопрос об адаптации энергетической эффективности.

Стоит отметить, что помехоустойчивость предложенныхалгоритмов адаптации на основе чисел обусловленности, направленных на повышение энергетической эффективности передачи, совпадают с оптимальнымрешением, но при этом не требуют полного перебора всех возможных переданных комбинаций в виду чего их сложность значительно меньше. Однако, предложенные решения требуют предварительного определения порогов переключения на этапе разработки оборудования. Достаточно один раз для каждой пары113режимов передачи определить оптимальную точку переключения по числу обусловленности канальной матрицы H на основе имитационного моделированиясистемы связи. Приведена методика получения порогов переключения по числуобусловленности, которая может быть применена для различных вариантов работы MIMO (ПВБК, ПМ с различным числом потоков) и распространена намногорежимную работу (переключение между тремя и более режимами).

Еслиесть необходимость в использовании переключения между ПМ 2х2 и ПВБК 2х2оптимальным способом, то предлагается метод упрощения вычислений минимального квадратичного Евклидова расстояния для ПВБК, не требующий полного перебора всех возможных комбинаций. Стоит заметить, что если бы удалось получить аналогичное упрощение для ПМ, то не было бы необходимости впоиске квазиоптимальных критериев переключения, а оптимальный метод обладал бы приемлемой сложностью. Это направление может являться темойдальнейших исследований.Предложен алгоритм адаптации числа каналов при A-V-BLAST на основеминимального сингулярного числа канальной матрицы, который позволяетмаксимизировать спектральную эффективность при условии не превышениязаданного уровня вероятности битовых ошибок. Предложенное решение, в отличие от существующих алгоритмов адаптации, позволяет работать на малыхОСШ с заданным качеством (вероятностью битовых ошибок) передачи.

Всеразработанные и использованные программы доступны по адресу в Интернете[112].1144. АЛГОРИТМ ГРУППИРОВКИ ПРОСТРАНСТВЕННО МУЛЬТИПЛЕКСИРУЕМЫХ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ MU-MIMO4.1 MU-MIMO как разновидность пространственного мультиплексированияНа основе пространственного мультиплексирования была разработанаконцепция группового (или многопользовательского) варианта ПМ – технология MU-MIMO (англ. multiuser) [115]. Как рассматривалось выше, потоки параллельно транслируемых данных могут принадлежать одному пользователю –SU-MIMO (англ. single user). В случае MU-MIMO пространственно мультиплексируются потоки от различных пользователей. Данная технология имеетсвои аспекты реализации в восходящем и нисходящем каналах связи.

Особенности связаны в основном с оценкой канальных коэффициентов для различныхпользователей и синхронизацией. В данной работе рассматривается восходящий канал связи, в котором полная канальная матрица может быть полученапутем оценки её коэффициентов по пилотным сигналам, характерным для каждой передающей антенны каждого пользователя. В данном исследовании предполагается, что канал идеально известен и пользователи идеально синхронизованы.Рассмотрим следующую конфигурацию системы связи, использующуюMU-MIMO.

На базовой станции используются 2 приемные антенны, а абонентские устройства используют по одной передающей антенне. Схематичное изображение данной конфигурации дано на рисунке (Рисунок 45).Технология MU-MIMO, также, как и SU-MIMO, может быть описана системой линейных уравнений. Имея вектор сигналов наблюдений Y = [ y1 y2 ]T иматрицу канальных коэффициентов передачи (4-1) можно составить матричноеуравнение со случайной правой частью (4-2).115SU-MIMOMU-MIMOАЭ – антенный элементАС – абонентская станцияБС – базовая станцияРисунок 45 Концепция пространственного мультиплексирования MIMO2x2 одного пользователя (слева) и двух пользователей (справа)éhH = ê 11ëh21é y1 ù é h11ê y ú = êhë 2 û ë 21h12 ùh22 úûh12 ù é x1 ù é n1 ù+h22 úû êë x2 úû êën2 úû(4-1)(4-2)Выражение (4-2) – это система линейных уравнений аналогичная той, которая рассматривалась для SU-MIMO.