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

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

Рис.1. Архитектура V-Blast

собой обычный Q AM-передатчик. Совокупность передатчиков составляют вектор-передатчик,ком-понентами 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 де-кодер).Далее происходит оценка принятых резуль-татов.На следующем шаге данные,полученные с Q AM-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

X = H”^x*Y, (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]:

X = H**Y

где н# = (Нн *Hyx *Hh ; H* – псевдообращение Мура-Пенроуза канальной матрицы; HH – эрмитово-сопряженная матрица [3]. В случае применения приемника на основе MMSE оценка ищется с помощью соотношения:

Х = (НиН + -1пТух*Нн, (4) P где p – отношение «сигнал/шум» в канале без замираний. Алгоритм работы ZF и MMSE пред- ставлен 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.

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.

Рис. 3. Число антенн Тх = 2; Rx = 2

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.4видно,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.

Рис. 5. Число антенн Тх = 4; Rx = 4

Рис. 6. Число антенн Тх = 4; Rx = 6

Изпредставленныхрезультатовможносделать 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.