بخشی از مقاله
چکیده
امروزه فرستنده و گیرنده ی تبدیل مستقیم با توجه به ویژگی هایی نظیر پیچیدگی کمتر، قیمت ارزانتر و مصرف انرژی پایینتر نسبت به سایر معماریها، با استقبال بیسابقهای روبرو است. یکی از مشکلات این نوع فرستنده وگیرنده ها ، عدم تعادل IQ میباشد. عدم تعادل IQ که در شاخههای RF فرستنده و گیرنده ی تبدیل مستقیم بوجود میآید، باعث کاهش عملکرد سیستم میشود. در این مقاله تأثیر عدم تعادل IQ ، تخمین و جبران آن، هم در سمت فرستنده و هم در سمت گیرنده و در سیستم چند ورودی و چند خروجی - MIMO - را مورد توجه قرار میدهیم. همچنین دنبالهی راهنما بهینهای را طراحی می کنیم که قادر به تخمین کانال و پارامترهای عدم تعادل با روش حداقل مربعات - LS - میباشد.
نخست روشهایی برای تخمین عدم تعادل در حالتی که این عدم تعادل در فرستنده، گیرنده و مشترکا هم فرستنده و گیرنده سیستم MIMO وجود دارد، پیشنهاد و مورد ارزیابی قرارمیدهیم. سپس دو الگوریتم برای جبران تأثیر ناهمسانی IQ فرستنده و/یا گیرنده پیشنهاد میکنیم.جبران ساز اول با کنار هم قرار دادن تخمین کانال و پارامترهای عدم تعادل و جبران ساز دوم مبتنی بر همبستگی پارامترهای عدم تعادل در سمت فرستنده و گیرنده به جبران سازی خطای ایجاد شده اقدام می کنند. در انتها به منظور دریافت گین بهره چندگانگی، به استفاده از کدگذاری چندگانگی ارسالی فضا-زمان می پردازیم. در شبیهسازی ها با محاسبهی میانگین مربعات خطا - MSE - و میانگین بیتهای خطا - BER - عملکرد طرح پیشنهادی را نشان میدهیم.
کلیدواژه- سیستمهای MIMO، عدم تعادل IQ، گیرندهی تبدیل مستقیم
مقدمه
به منظور ارتباط بیسیم صنعت مخابرات با محدودیتها و چالشهای عملی روبروست. دستیابی به نرخ ارسال بالاتر و کاهش احتمال خطا در ارسال اطلاعات، دو چالش عمده در سیستمهای مخابراتی بی سیم محسوب میشود .[2] ,[1] با هدف غلبه بر این دو چالش، سیستمهای چند ورودی - چند خروجی - MIMO - به دلیل دستیابی به نرخ دادهی بالا بدون افزایش پهنای باند و وجود قابلیت اطمینان بالا با ایجاد انواع روشهای چندگانگی مورد استفاده قرارگرفته است. سیستم MIMO در چندین استاندارد مانند IEEE 802.11n، IEEE 802.11ac، HSPA+ - 3G - و - Wi MAX - 4G استفاده میشود .[5]-[3] اگرچه با وجود این بهبودها، میتوان به وجود کاستیهای عملی سامانههای MIMO در قسمت آنالوگ ابتدایی و انتهایی شاخهی - RF chain front end - RF فرستنده و گیرندهی تبدیل مستقیم اشاره کرد.
اتفاقهایی نظیر آفست زمانبندی و فرکانسی، نویزفاز، عدم تعادل IQ و عدم خطی بودن تقویت کنندها از جمله آنهاست که باعث کاهش کارایی سیستم و افزایش تعداد بیتهای خطا میشود . [9]-[6] عدم انطباق شاخهی همفاز - I - و متعامد - Q - که در فرستنده هنگام ارسال سیگنال با فرکانس حامل - Up - و سمت گیرنده در لحظهی تبدیل سیگنال از باند میانی به باند پایه - Down - ایجاد و باعث از بین رفتن تعامد سیگنال بین شاخه های I و Q میشود.[10] این اتفاق ناشی از خطای شیفت فاز 90 درجه در هنگام Up/Down سیگنال رخ میدهد و باعث عدم انطباق قسمتهای حقیقی و موهومی سیگنال مختلط شده و نسبت سیگنال به اعوجاج سیگنال دریافتی را ازبین می برد .[11] ,[10]
این ناهمسانی شاخههای IQ حائض اهمیت است؛ زیرا در فرکانسهای حامل بالا این مشکل شدیدتر و حذف آن با چالش بیشتری همراه است و امروزه نیز در نسل پنجم سیستمهای مخابراتی شاهد گرایش به افزایش فرکانس حامل و پهنای باند در حد چند گیگاهرتز Millimeter wave هستیم. همچنین در نرخ دادههای بالا که چیدمان صورت فلکی بزرگ مورد نیاز است و سیگنال به نویزهای بالا میتواند چیدمان صورت فلکی بزرگ را تضمین کند بنابراین در سیگنال به نویزهای بالا که توان سیگنال به نویز غالب شده و تنها خطای معین عدم تعادل میتواند مخرب باشد، حساسیت بیشتری دارد .[13] ,[12] در حوزه آنالوگ انطباق کامل IQ غیر ممکن است و برای مقابله با این مشکل استفاده از Analog -to- - ADC - Digital Converter و Digital-to-Analog - DAC - Converter به ترتیب در انتهای سیگنال ارسالی و ابتدای سیگنال دریافتی به منظور ایجاد شیفت فاز90 درجه ایده آل در حالت دیجیتال مطرح میشود.
اما استفاده از DAC و ADC به دلیل محدودیتهای الکترونیک دیجیتال و داشتن توان مصرفی زیاد و افزایش هزینه غیر قابل استفاده است .[14] ,[12]مشکلات عدم تعادل در فرستنده با عدم تعادل در گیرنده یکسان نیست، اثر فیدینگ کانال در عدم تعادل در گیرنده مخربتر از فرستنده است، و باعث افزایش بیشتر نرخ بیتهای خطا میشود.[15] عدم تعادل فرستنده و هم گیرنده نیز باهم که بیانگر مدل واقعی و عملی سیستم است تأثیر هر دو خطا را با هم دارد. حال به سابقهی تحقیقات در مسئلهی عدم تعادل IQ در سیستمهای چند ورودی و چند خروجی - MIMO - و مدولاسیون چند حاملی به شکل OFDM میپردازیم.
در [16] عدم تعادل IQ در سیستم MIMO با بهره چندگانگی MRC بررسی شده است. با توجه به عملکرد ترکیبکننده MRC در بخش فرکانس رادیویی گیرنده، تنها به یک شاخهیRF نیاز است. در ابتدا با بهکارگیری تخمینگر حداقل مربعات - LS - مشترکا به تخمین ماتریس کانال و پارامترهای عدم تعادل و بردار وزنهای ترکیبکننده MRC پرداخته میشود. سپس در مرحله بعد با استفاده از سیگنال دریافتی به همراه مزدوج مختلطش به آشکارسازی سیگنال ارسالی اقدام میشود. در [17] به بحث عدم تعادل IQ در سمت هم فرستنده و هم گیرنده سیستم MIMO با بهکارگیری بلوک کد مکان و زمان - STBC - پرداخته است و با دو جبران ساز که اولی مبتنی بر ارسال مداوم دنبالهی آموزشی و سپس دیتا است و جبران ساز دوم مبتنی بر جداسازی کور می باشد.
ولی روش ارائه شده قادر نیست پارامترها و کانال را مستقلاً تخمین بزند.در این مقاله با هدف دستیابی به یک ارسال باکیفیت به جبران سازهای مبتنی بر تخمین اعوجاج های سیستم درحوزه ی دیجیتال میپردازیم. در انتها با به کارگیری بهرهی چندگانگی الموتی به مقابله با اثر فید کانال اقدام میکنیم . [18] برای این منظور ما به بررسی مدل نامتقارن و مستقل از فرکانس عدم تعادل در حالت فقط در فرستنده - TX Only IQ Imbalance - ، فقط در گیرنده - RX Only IQ - Imbalance و هم فرستنده و هم گیرنده - Joint TX and RX - IQ Imbalance میپردازیم و ماتریس دنبالهی راهنما بهینهای که سطرهای آن عمود است را طراحی میکنیم که قادر به تخمین کانال و پارامترهای عدم تعادل می باشد.
روش ارائه شده علاوه بر اینکه مشترکا کانال با پارامترهای عدم تعادل تخمین میزند میتواند آنها را مجزا نیز تخمین بزند. سپس با به کارگیری دو جبران ساز LS و Correction به جبران اعوجاجهای ایجاد شده اقدام میکنیم.در ادامه در بخش دوم یک مدل عدم تعادل IQ در سمت هم فرستنده و هم در گیرنده ارائه می کنیم و سپس در بخش سوم به بحث طراحی دنبالهی راهنما و تخمین پارامترهای عدم تعادل IQ در سمت فقط فرستنده، فقط در گیرنده و هم فرستنده و هم گیرنده می پردازیم در بخش چهارم با دو جبران ساز LS و Correction به جبران خطای ایجاد شده میپردازیم، و در پایان نتایج شبیهسازی را ارائه می کنیم.
.2 مدل سیستم با عدم تعادل IQ
ما سیستم MIMO مطابق شکل - 1 - با تعداد آنتن nT در سمت فرستنده وnRدر سمت گیرنده و با مدل کانال شبه ایستا فیدینگ رایلی استفاده میشود. بردار1nسیگنال دریافتیy با عدم R MIMO به صورت تعادل در سمت هم فرستنده و هم گیرنده سیستم زیر خواهد بود:
.3 روش پیشنهادی:
در این قسمت، ما با طراحی دنبالهی راهنما با استفاده از الگوریتمهای ارائه شده به تخمین پارامترها در سه حالت فرستنده، گیرنده و هم فرستنده و هم گیرنده اقدام میکنیم:
.3.1 طراحی دنبالهی راهنما:
به منظور تخمین ماتریس گین کانال و ماتریس های عدم تعادل، روشی مبتنی بر دنباله ی راهنما ارائه میکنیم. فرض میکنیم کانال شبه ایستا است که در واقع ماتریس گین کانال در هر فریم بدون تغییر باقی می ماند ولی ممکن است از یک فریم به فریم دیگر تغییر کند. ماتریس دنبالهی راهنما ارسالی S p با ابعادTTبا توان pاست.بنابراین مدل سیگنال MIMO با ارسال دنباله ی راهنما در حالت عدم تعادل IQ در هر دو سمت فرستنده و گیرنده به صورت زیر خواهد بود:
