Выбор оптимального числа приемо-передающих устройств при различных методах обработки в системах V-BLAST

Полный текст

Глобализация экономической жизни и растущая роль технологических инноваций серьезно повысили роль информации как одного из ключевых факторов обеспечения конкурентоспособности в современной экономике. Телекоммуникации стали интегральной частью бизнеса и обеспечивают внутренние и международные потоки информации в процессе принятия деловых решений [1]. Увеличение информационных потоков в беспроводных сетях связи накладывает высокие требования на пропускную способность и качество передачи информации (малая вероятность ошибки). Наиболее перспективным путем решения данной проблемы является использование нескольких приемопередающих антенн (так называемые MIMO-системы: «типа множественный вход - множественный выход» [5]). Технология BLAST (Bell Laboratories Layered Space-Time), которая является примером таких MIMO-систем [4], получила одобрение специалистов, чему способствовали эксперименты [7], подтверждающие ее работоспособность. Суть V-Blast заключается в том, чтобы в одной полосе частот передавать несколько пространс-твенноразнесенных информационных каналов -на приемной стороне эти каналы разделяют на основе их пространственных различий [2]. Целью работы является выбор оптимального числа приемопередающих устройств для применения в V-Blast-системах. Архитектура V-Blast Архитектура системы связи на основе V-Blast изображена на рис. 1. Единый поток данных демультиплексируется в M субпотоков, впоследствии каждый из них кодируется и передается в соответствующий передатчик. Каждый передатчик представляет «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 Семенов Е.С., Тюхтяев Д.А. 63 V-BLAST Обработка сигналов; оценка и декодирование Рис.1. Архитектура V-Blast собой обычный QAM-передатчик. Совокупность передатчиков составляют вектор-передатчик, компонентами каждого передаваемого вектора являются символы QAM-созвездия. В качестве приемников выступают, как правило, QAM-приемники, которые также работают совместно. Каждая из N антенн принимает сигналы, излучаемые из каждой передающей антенны. Впоследствии данные с приемников поступают в блок V-Blast-обработки (векторный декодер). Далее происходит оценка принятых результатов. На следующем шаге данные, полученные с QAM-приемников, мультиплексируются и передаются получателю сообщения. Для моделирования системы V-Blast воспользуемся соотношениями [7]. Вектор принятого сигнала определяется как Y = H*X + V, (1) где V - шум в канале; H - комплексный коэффициент передачи канала связи (матрица канальных коэффициентов размерности Rx*Tx, где Rx и Tx - число приемных и передающих антенн соответственно); X - переданный сигнальный вектор; Y - принятый сигнальный вектор. В общем случае для нахождения переданного вектора достаточно воспользоваться соотношением Х = н-1 *7. (2) где X - оценка вектора переданного сообщения [6]. Для снижения числа ошибок наибольшее распространение в последнее время получили два метода оценки принятого сообщения: ZF (Zero forcing) и MMSE (Minimum Mean Squared Error). При использовании метода ZF оценка вектора сообщения X находится по формуле [6]: Χ = Η**Υ, (3) где Н# = (Нн * Ну1 * Нн ; Н# - псевдообращение Мура-Пенроуза канальной матрицы; Нн - эрмитово-сопряженная матрица [3]. В случае применения приемника на основе MMSE оценка ищется с помощью соотношения: Л Ytt Х = (Нн *Н + — InTyl *Нн, (4) Р где р - отношение «сигнал/шум» в канале без замираний. Алгоритм работы ZF и MMSE представлен на рис. 2. Рис. 2. Алгоритм работы ZF и MMSE В среде программирования Matlab была разработана модель системы V-BLAST. В качестве шума выступает белый гауссовский шум в пределах от 0 до 20 дБ. Примем допущение, что условия окружающей среды не изменяются, многолучевое распространение отсутствует. Поэтому канальная матрица H в ходе эксперимента остается стационарной. Также можно считать, что в качестве модуляции применяется QAM-16. «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 64 Семенов Е.С., Тюхтяев Д.А. На рис. 3-6 приведены зависимости вероятности пакетной ошибки от отношения «сигнал/шум» для высокоуровневой модуляции QAM-16 при использовании числа Tx передающих и Rx приемных антенн, принятых равными, соответственно: 2 и 2 - на рис. 3; 2 и 4 - на рис. 4; 4 и 4 - на рис. 5; 4 и 6 - на рис. 6. Тх = 2,Rx = 2,160AM modulation Рис. 3. Число антенн Тх = 2; Rx = 2 Тх = 2,Rx = 4,160AM modulation Рис. 4. Число антенн Тх = 2; Rx = 4 Данные рис. 3 показывают, что в случае применения двух приемных и двух передающих антенн использование метода MMSE в диапазоне 0... 12 дБ обеспечивает существенное снижение относительного числа ошибок. Из рис. 4 видно, что кривые ошибок для методов ZF и MMSE практически идентичны. На рис. 5 показано, что метод MMSE дает выигрыш перед методом ZF при низких значениях отношения «сигнал/шум». Случай, представленный на рис. 6, соответствует зависимостям, близким к представленным на рис. 4. Тх = 4,Rx = 4,160AM modulation \ —1—ZF \ ! \ \ \ \ \ \ , ч Eb/No in dB Рис. 5. Число антенн Тх = 4; Rx = 4 Тх = 4,Rx = 6,160AM modulation Рис. 6. Число антенн Тх = 4; Rx = 6 Из представленных результатов можно сделать вывод, что оптимальным является использование системы, состоящей из двух передающих и четырех приемных антенн. Но необходимо помнить, что с увеличением числа приемопередающих устройств растет пропускная способность системы. В связи с тем, что кривые ошибок в случаях, представленных на рис. 4 и рис. 6 (число приемных и передающих антенн неодинаково), похожи, наиболее выгодным решением является применение метода ZF, так как вычислительные затраты для данного метода наименьшие. В ситуациях, при которой число приемных и передающих антенн одинаково, эффективнее использование метода MMSE, так как данный метод обеспечивает меньшее количество ошибок.

Об авторах

Евгений Сергеевич Семенов

Волгоградский государственный университет

Email: essemenov@mail.ru
к.т.н., доцент, заведующий Кафедрой телекоммуникационных систем (ТС)

Дмитрий Александрович Тюхтяев

Волгоградский государственный университет

Email: tyukhtyaevml@mail.ru
ассистент Кафедры ТС

Список литературы

Дополнительные файлы