پردازش فضا - زمان در کانال های MIMO

توضیحات

پردازش فضا - زمان در کانال های MIMO
فرمت فایل:PDF
تعداد صفحه:155
پایان نامه براي دریافت درجه کارشناسی ارشد “M.Sc”
گروه مهندسی برق گرایش مخابرات سیستم
چکیده :
پس از احساس نیاز در نسل سوم مخابرات سیار به سرعت انتقال بالاتر و ظرفیت بیشتر و داشتن کیفیتی مانند تلفن ثابت، نظریه به کارگیری کانال های MIMO توجهات بسیاری را به خود جلب کرد. برای استفاده هرچه بهتر از این کانال ها، علاوه بر اجرای تکنیک دایورسیتی فضایی در کانال های MIMO، می توان سمبل ها را در چندین بازه زمانی مختلف ارسال نمود و همزمان دایورسیتی زمانی را نیز به اجرا درآورد. الگویی که برای اجرای همزمان این دو دایورسیتی به کار می رود، کدهای فضا – زمان نامیده می شود. درست است که اعمال کدهای فضا – زمان بر روی سمبل های ارسالی، کیفیت دریافت را افزایش می دهد، اما متاسفانه پردازش این گونه کدها، زمان زیادی را می طلبد و این، با نیازمندی های مخابرات بی سیم نسل 3 و بالاتر همخوانی ندارد. به همین دلیل توجهات به روش های کدگشایی شبه بهینه جلب شد که در آنها در ازای اندکی تقلیل عملکرد سیستم، پیچیدگی کدگشایی به شدت کاهش پیدا می کند. یکی از این روش ها که بر مبنای اصول کدگشایی ML استوار است، به کدگشایی کروی مشهور است. تحقیقات قبلی نشان داده که کدگشایی کروی روی سمبل های M-QAM در کانال های MIMO عملکرد مناسبی دارد و امروزه تحقیقات حول کاهش هرچه بیشتر پیچیدگی الگوریتم های این گونه کدگشایی قرار دارد. در این پایان نامه، پس از بررسی کدهای فضا – زمان و اصول کدگشایی آنها، الگوریتم II، یکی از پرکاربردترین روش های پیاده سازی کدگشایی کروی، بررسی می گردد. در ادامه، پیشنهادی برای بهبود عملکرد الگوریتم II ارائه شده که با زبان نمودارهای حاصل از شبیه سازی کانال میزان این بهبود نشان داده می شود. همچنین پیشنهادی نیز برای کاهش پیچیدگی الگوریتم II بیان شده است که با استخراج نتایج حاصل از شبیه سازی این ایده، تاثیر مثبت آن در کاهش پیچیدگی الگوریتم II تغییریافته در کانال های MIMO آشکار می شود.
علاوه بر این، در این تحقیق با به کارگیری نتایج شبیه سازی کانال های MIMO در حالات گوناگون (تعداد متنوع آنتن، SNRهای مختلف و M-QAMهای گوناگون)، با دقت بالا، نشان داده می شود که مقدار اولیه شعاع کره ای که برای کدگشایی کروی انتخاب می شود چه تاثیری در عملکرد و پیچیدگی سیستم دارد. در نهایت با تحلیل نتایج شبیه سازی، راهکاری برای انتخاب مناسب “شعاع اولیه کره جستجو” به عنوان شرایط اولیه الگوریتم II ارائه می گردد.
در اواخر دهه نود میلادی، به کارگیری دایورسیتی فضایی که در گیرنده، برای افزایش بهره و کاهش اثر فیدینگ مرسوم بود، در فرستنده نیز مورد توجه قرار گرفت. به دنبال آن تحقیقات گوناگونی نشان دادند که تحت ساختارهای خاصی، کانال های بی سیم که چندین آنتن ارسال و چندین آنتن دریافت داشته باشند یا اصطلاحا MIMO باشند، دارای کیفیت و ظرفیت بهتری خواهند بود. از آن زمان بود که ایده کدینگ فضا – زمان شکل گرفت تا با ترکیب دایورسیتی فضایی، دایورسیتی زمانی و کدینگ مناسب، سیستم از مزایای هر سه تکنیک برخوردار شود.
در سال 1998 اولین و ساده ترین کد فضا – زمان در مأخذ [1] برای 2 آنتن ارسال و 2 آنتن دریافت ارائه شد که به دلیل خطی بودن کد، کدگشایی ساده ای داشته ولی با وجود این برای آشکارسازی نهایی کد از کدگشای ML استفاده می شد. در سال 1999 در مأخذ [2] کد فضا – زمان جدیدی برای بیش از 2 آنتن پیشنهاد شد که اصولش شباهت زیادی به کد فضا – زمان قبلی داشت. در همان سال معیارهای ریاضی طراحی کدهای فضا – زمان که بهره کدینگ و بهره دایورسیتی مناسب را تامین کند در مأخذ [3] منتشر شد. از آن به بعد، با به کارگیری این معیارها، کدهای فضا – زمان گوناگونی طراحی گردیدند. براساس اصول طراحی، این کدها به دسته های مختلفی تقسیم می شوند که هریک چند شرط از شرایط زیر را برآورده می سازند:
1) تأمین حداکثر ظرفیت
2) حداکثر عملکرد
3) نرخ انتقال بالا
4) کمترین پیچیدگی در مرحله کدگشایی
5) داشتن دایورسیتی کامل با هر نوع منظومه و هر تعداد از آنتن های ارسال و دریافت
سال ها بود که مزایای مدولاسیون چند سطحی M-QAM شناخته شده بود، با رواج کانال های MIMO و بالا رفتن سرعت انتقال، لزوم استفاده از این مدولاسیون بیشتر احساس شد. از طرفی به علت ساختار لتیسی منظومه این نوع مدولاسیون، مناسبترین مدولاسیون برای کدگشایی آسانتر در کانال های MIMO به حساب می آید و در تحقیقات کنونی روی کدهای فضا – زمان، بیشتر همین مدولاسیون را به کار می برند.
تحقیقات گوناگونی که روی عملکرد کدهای فضا – زمان صورت گرفت، نشان داد که کدگشایی نقش عمده ای روی کارآیی سیستم دارد. کدگشایی ML در این موارد بهترین عملکرد را داراست. اما به دلیل اجرای طولانی این نوع کدگشایی، خصوصا وقتی منظومه پرنقطه باشد، مناسب مخابرات بی سیم کنونی نیست. در سال 1998 در مأخذ [4]، روش شبه بهینه ای به نام کدگشایی کروی برای اجرای کدگشایی ML به کار گرفته شد و پس از آن در اکثر تحقیقات از آن استفاده شد. در سال 2003 در مأخذ [5] الگوریتم های مناسب کدگشایی کروی برای اجرای کدگشایی ML روی کانال های MIMO گوسی خطی ارائه شد که بیش از گذشته کیفیت این کدگشایی را برای لتیس های محدود نشان داد. همچنین تحقیقات گوتاگونی عمدتا برای بهینه سازی الگوریتم های اجرای کدگشایی کروی و کاهش میزان محاسبات این الگوریتم ها صورت گرفت. در همین راستا در سال 2005، مأخذ [6] الگوریتم II (ارائه شده در مأخذ [5]) را برای منظومه های M-QAM مستطیلی بهبود بخشید و عملکرد آن را برای منظومه 64-QAM در کانالهای فیدینگ MIMO با 4 آنتن ارسال و 4 آنتن دریافت، شبیه سازی نمود. الگوریتم های کدگشایی کروی بر “انتخاب یک کره و پیدا کردن نزدیک ترین نقطه لتیس به سیگنال دریافتی که در این کره محصور باشد”، استوار است. در بسیاری از مقالات اخیر اشاره شده است که انتخاب شعاع این کره در میزان محاسبات الگوریتم نقش عمده ای دارد؛ اما در مورد میزان این نقش بحثی به میان نیامده است. در این پایان نامه با استفاده از نرم افزار MATLAB، کانال های MIMO با فیدینگ تخت رایلی و مدولاسیون M-QAM مستطیلی شبیه سازی شده و الگوریتم II برای کدگشایی ML رشته های ارسالی در این اعمال گردیده است. با این کار تاثیر دقیق انتخاب شعاع کره در میزان محاسبات کدگشایی، در کانال های MIMO در شرایط متفاوت از لحاظ تعداد آنتن های ارسال و دریافت، تعداد نقاط منظومه و میزان SNR نشان داده شده است. همچنین در این تحقیق مشخص شده است که اندازه شعاع اولیه کره در عملکرد سیستم نیز تاثیر دارد. علاوه بر این در اینجا پیشنهاد شده است که با انتخاب شعاع نهایی کره؛ می توان از محاسبات اضافی که تاثیری در عملکرد سیستم ندارد؛ کاست. این پیشنهاد با شبیه سازی ایده و استخراج نتایج شبیه سازی در کانال های MIMO، کاملا بررسی شده است.
ساختار کلی پایان نامه به شرح زیر است:
در فصل اول به مزایای کانال های MIMO، ظرفیت آنها و انواع کدینگ کانال که برای این کانال ها رایج است، پرداخته شده تا جایگاه کدینگ فضا – زمان و کدگشایی نگاشت، در این کانال ها مشخص شود. در انتهای این فصل، انواع فیدینگ و نویز در کانال های بی سیم ارائه شده تا فرضیات شبیه سازی کانال که در این پایان نامه استفاده شده، واضح تر گردد.
در فصل دوم، مدولاسیون M-QAM و پارامترهایش معرفی شده و سپس لتیس ها و تئوری های مربوط به آن ارائه می گردد تا به کمک ریاضیات، ارزش و توانایی های این مدولاسیون در کانال های MIMO شناخته شود و دلیل انتخاب آن در اینجا مشخص شود.
در فصل سوم، اصول کدینگ فضا – زمان و معیارهای انتخاب کد مناسب بررسی می شود تا مقدمه ای برای برشمردن چند نوع باارزش از این کدها باشد. در ادامه در فصل چهارم چند نوع از انواع کاربردی کدینگ فضا – زمان، به ترتیب از ساده به پیچیده، معرفی شده و تا حدی به خواص شان پرداخته می شود. با معرفی هریک از روش های کدینگ، روش مناسب کدگشایی آن که در مقالات پیشنهاد شده، ارائه می شود تا وابستگی پردازش این کدها به کدگشایی و اهیمت این روش کدگشایی در عرصه کدینگ فضا – زمان نمایان شود.
و...