Диссертация (Исследование и разработка алгоритмов адаптации пространственного мультиплексирования к канальным условиям в системах беспроводного доступа), страница 8

Используя формулу расчета достижимой удельной пропускной способности (ДУПС), можно оценить ДУПС для ПМСР. При этом канальные условия будут учтены в сингулярных числах КМ. Оценивать производительность V-BLAST предлагается путем имитационного моделирования, наоснове модели реального радиоканала и имитационной модели V-BLAST канального уровня.

Имея в виду заданную суммарную мощность всех передатчиков и фиксированную мощность шума в полосе передачи, приводится сравнение разных радиолиний с пространственным мультиплексированием различными методами и определяется субоптимальный метод передачи для данногоканала. Представляется логичным исследование зависимости потерь в спектральной эффективности при V-BLAST с различной степенью уплотнения относительно ПМСР от реальных физических особенностей распространения радиоволн, так как потери, связанные с межканальной интерференцией, зависятот канальных условий.Поясним методику определения ДУПС для V-BLAST, на основе имитационного моделирования с учетом кодирования. В общем случае в приемнике44используются две выполняемые последовательно процедуры: демодуляция идекодирование.

На выходе демодулятора появляются брутто биты (кодированные биты) с определенной вероятностью ошибки РОШББ. Декодер, в результатедекодирования выдаёт только информационные биты с меньшей вероятностьюошибки РОШБ. Приближенно можно считать, что для заданного метода модуляции и заданной схемы помехоустойчивого кодирования РОШББ однозначноопределяет РОШБ.

Поэтому, взяв кривые для КАМ разной кратности при различных методах кодирования (для одноканального варианта с АБГШ), и положив значение РОШБ=10-5 можно найти hБ2 при заданной КАМ и кодировании.Далее, определим какое значение РОШББ при этом имеет место. Это можно сделать, используя кривую помехоустойчивости для КАМ той же кратности, но2при отсутствии кодирования и полагая hББ= PС TББ / N 0 = PС TБ R / N 0 = hБ2 R . Соответ-ствующие данные приведены в Таблице 3.

Использованные кривые помехоустойчивости приведены на Рисунке 2.Таблица 3: Таблица значений для нахождения ДУПС по данным имитационного моделированияk2468RhБ2 dBhББ2 dBРОШББkR2hБ dBhББ2 dBРОШББkRhБ2 dBhББ2 dBРОШББkRhБ2 dBhББ2 dBРОШББkR1/26.53.51.8∙10-219.26.22.5∙10-2214111.7∙10-2318.315.31.7∙10-242/36.856∙10-31.339.67.810-22.714.512.76∙10-3418.8177∙10-35.33¾7.362.4∙10-31.510.18.85∙10-3315.113.82.5∙10-34.519.418.13∙10-364/57.86.89∙10-41.610.89.82∙10-33.215.714.710-34.820191.5∙10-36.45/68.47.63∙10-41.6711.510.78∙10-43.3316.315.54∙10-4520.719.95∙10-46.676/798.310-41.712.411.72∙10-43.431716.310-45.1421.520.81.5∙10-46.8619.69.610-5213.413,410-5417.817.810-5622.522.510-58k – число бит на модуляционный символ; R – скорость сверточного помехоустойчивого кода.Теперь при V-BLAST нужно требовать, чтобы РОШББ была такой, какаяуказана в соответствующей клетке этой таблицы.

Тогда при указанном в разде45ле таблицы способе кодирования и кратности модуляции получится указанная встолбце удельная скорость передачи информации kR. Кодирование учтено втребуемом значении РОШББ. На основе найденной вероятности ошибки РОШББдля данных условий путем имитационного моделирования, по таблице определяется соответствующая ДУПС для одного канала. Так как при V-BLAST имеется несколько каналов передачи в общем случае, то необходимо иметь в видусуммарную ДУПС.На втором шаге сравниваем пространственное мультиплексирование сразличной степенью уплотнения между собой и определяем такую схему передачи, которая достигает максимальной ДУПС в данных канальных условиях.Сравнение найденной ДУПС с ДУПС для ПМСР дает грубое представление околичественных потерях относительно оптимальной схемы передачи.

Грубоене только потому, что сравнивается теоретическая аппроксимация ДУПС, которая предполагает использование оптимальных алгоритмов обработки, но и тотфакт, что при имитационном моделировании рассматривается ограниченныйнабор (КАМ4, КАМ16, КАМ64, КАМ256; сверточный код 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6,6/7) схем передачи. Однако, представляется полезным иметь в виду даже такуюгрубую оценку потерь. Поиск субоптимальной схемы в нашем случае включаетв себя лишь изменение числа каналов, модуляция при этом остается фиксированной. Субоптимальный метод передачи будет зависеть от конкретных канальных условий. Вопрос поиска критериев адаптивного выбора субоптимального метода передачи рассматривается в следующей главе.Сравнение различных схем передачи может осуществляться по энергетической эффективности и помехоустойчивости, что используется для исследования зависимости V-BLAST с полным рангом от канальных условий.

Суть методики заключается в получении кривых помехоустойчивости при различных канальных условиях и определении необходимого энергетического уровня hБ2 длядостижения заданного уровня битовой ошибки PОШБ. Помехоустойчивое кодирование не учитывается, то есть понятия бита и брутто бита совпадают. Одна-46ко, такая методика позволяет наглядно показать влияние различных факторовна помехоустойчивость ПМ V-BLAST.2.2 Методы демодуляции пространственного мультиплексированияЭнергетическая эффективность пространственного мультиплексированияне может рассматриваться в отрыве от факторов, влияющих на помехоустойчивость. Если при ПМСР каналы разделены на приеме и обычный одноканальныйприемник может быть использован для каждого подканала, то при ПМ большоезначение имеет применяемый способ демодуляции пространственно мультиплексируемых сигналов.

Ниже приведены описания и реализации некоторыхдемодуляторов ПМ V-BLAST, которые использовались для количественнойоценки энергетической эффективности и помехоустойчивости.При сравнении энергетической эффективности различных конфигурациймногоантенных систем, возникает вопрос о критериях такого сравнения. Дело втом, что этот критерий должен теперь учитывать не только требуемое значениенормированного отношения сигнал/шум в той или иной точке схемы, но и общее число передатчиков, приемных и передающих антенн.

Представляется, чторазличные многоантенные системы должны сравниваться при равенстве суммарной излучаемой мощности по всем антеннам (эквивалентна единице поумолчанию).Все эти обстоятельства могут быть учтены в некотором, интегральном,разумным образом сконструированном, количественном показателе, которыйбудем называть эквивалентным, приведенным отношением сигнал/шум h2Б,ЭК.hБ2 , ЭК =EБN0(2-1)где EБ – энергия, расходуемая для передачи одного информационного бита сообщения. Опишем формирование h2Б,ЭК на примере системы V-BLAST содинаковым числом приемных и передающих антенн.

При V-BLAST длятрансляции одного подканала используется один передатчик и одна передаю47щая антенна (сообщения, излучаемые каждой антенной, различны). В приемекаждого сообщения участвуют все NПРМА приемных антенн. Поэтому обычнаясистема, с которой имеет смысл сравнивать данную MIMO систему должнаиметь ту же передающую антенну и ту же мощность передатчика, но приемнуюантенну с площадью в NПРМА раз превосходящей используемые при V-BLAST.Структура идеального приемника пространственно мультиплексируемыхсигналов следует из общих положений, изложенных в литературе.

А именно,получив вектор наблюдения Y, необходимо определить квадраты Евклидоварасстояния до всех возможных переданных векторов Xi с учетом влияния канала. В качестве решения должен быть выбран тот Xi, квадрат расстояния до которого минимален. Такое решение будем называть решением максимальногоправдоподобия (МП), то есть которое реализует идеальный прием.Xˆ = arg min i Y - HX i2(2-2)где HXi – возможная переданная комбинация Xi с учетом оцененной канальной матрицы H, Y – вектор принятых сигналов.

Алгоритм реализации МПприведен ниже (Алгоритм 1).· Цикл по числу возможных переданных сигнальных векторовo Умножение канальной матрицы на возможный переданныйсигнальный векторo Вычисление вектора невязки между принятым сигнальнымвектором и сигнальным вектором, полученном на предыдущемшагеo Вычисление квадрата нормы вектора невязки и сохранение впамяти· Вычисление минимума из вектора квадратов норм, полученных вцикле· Выбор сигнального вектора из возможных переданных по индексу,полученному на предыдущем шагеАлгоритм 1 Приемник максимального правдоподобия48Приемник МП имеет столь высокую сложность – с ростом числа одновременно мультиплексируемых данных число требуемых операций растет экспоненциально, что на практике оказывается труднореализуемым.

ПриёмникМП используется обычно при машинном имитационном моделировании, как ив данной работе, для оценки потенциальной помехоустойчивости пространственного мультиплексирования.Существуют квазиоптимальные алгоритмы демодуляции ([3], [4], [115]).Среди алгоритмов обработки сигналов на приемной стороне можно выделитьлинейные и нелинейные приемники.

Первый класс приемников является широко используемым как в теоретических исследованиях, так и на практике. Сложность демодуляции пространственно мультиплексированных данных можносущественно уменьшить, используя линейный приемник, чтобы сначала разделить переданные потоки данных, а затем независимо демодулировать каждыйиз них.Рисунок 8 Структурная схема системы связи с линейным приемникомНаиболее часто встречаемый в литературе линейный подход носит название приемника с декорреляцией или метод форсирования нуля (Zero Forcing –ZF) [57]. Весовая матрица W, на которую умножается принятый вектор наблюдений Y, определяется из канальной матрицы H следующим образом:W = ( H H H ) -1 H H49(2-3)где HH – комплексно-сопряженная и транспонированная матрица H, а всевыражение (2-3) представляет собой псевдообратную матрицу для H.

На выходе приемника ZF получаем следующее выражениеXˆ = X + ( H H H ) -1 H H N(2-4)где N – вектор шумов, подведенных к каждой приемной антенне. Приемник ZF разделяет пространственный матричный канал на параллельные подканалы с аддитивным пространственно-окрашенным шумом. Каждый канал затемможет демодулироваться отдельно, как это делается в традиционных системахсвязи с одной передающей и одной приемной антеннами. Коррелированностьшумов в обрабатываемых потоках игнорируется. При этом проблема демодуляции ПМ разбивается на несколько проблем отдельной демодуляции пространственных потоков, тем самым подавляя межсимвольную интерференцию.