بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهمترین مشکلات سیستمهای MIMO-OFDM عدم توانایی در حذف سیگنال تداخل میباشد. در این مقاله برای حذف تداخل و تعدیل کانال در سیستمهای MIMO-OFDM روش شکلدهی پرتو همزمان در آنتنهای فرستنده و گیرنده که وزنها بر اساس زیر حاملهای راهنما به روز میشوند، پیشنهاد شده است. روش پیشنهادی به دلیل دار بودن خاصیتهای ساختار MIMO و همچنین شکلدهی پرتو همزمان در گیرنده وفرستنده در تمامی شرایط عملکرد مناسبتری نسبت به روش های Pre-FFT ، Post-FFT ، فضا- زمان و زمان - فرکانس در سیستم OFDM دارا میباشد. نتایج شبیهسازی نیز نشاندهنده بهبود عملکرد روش پیشنهادی نسبت به روش های دیگر میباشد.
کلید واژه- آنتنهای آرایهای، شکلدهی پرتو، تعدیل کانال، .MIMO-OFDM
-1 مقدمه
در سالهای اخیر علاقه زیادی برای ارسال اطلاعات با نرخ داده بالا مانند ویدئوکنفرانس، شبکه گسترده و سیگنال تصویر بر روی کانالهای بیسیم ایجاد شده است.[2-1] یکی از تکنیک-های موثر برای ارسال داده با نرخ بالا در کانالهای با فیدینگ چند مسیره، ساختار OFDM میباشد. در ساختار OFDM با استفاده از قرار دادن یک فاصله حفاظتی - - CP1 از تداخل بین سمبلها - - ISI2 جلوگیری میشود. از طرفی با قرار دادن زیر حامل راهنما در بین سمبلهای OFDM میتوان کانال را تخمین و تعدیل کرد.[4- 3] یکی از مهمترین مشکلات در سیستمهای OFDM وجود سیگنال تداخل میباشد. تداخل سیگنال نامطلوبی است که همزمان با سیگنال مطلوب و در باند فرکانسی آن به گیرنده میرسد و بازیابی سیگنال مطلوب را بامشکل مواجه میسازد .
ساختار OFDM تک آنتنی قادر به حذف اثر سیگنال تداخل نمیباشد. برای حذف تداخل در سیستم OFDM از ساختار آرایه آنتنی در گیرنده استفاده میشود. در آرایه آنتنی سیگنال دریافتی به آنتنهای گیرنده در وزنهای خاصی ضرب میشوند که به این عمل شکل دهی پرتو گفته می-شود. عمل شکلدهی پرتو در ساختار OFDM به طور همزمان هم اثر کانال را کاهش میدهد و هم سیگنال تداخل را حذف میکند.[7-5]دو روش مرسوم شکلدهی پرتو در سیستمهای OFDM ، روشهای Pre-FFT و Post-FFT میباشند که هر دو روش برای داشتن عملکرد خوب نیاز به شرایط محیطی مناسب چون زاویه ورود سیگنال، تعداد زیرحاملهای راهنما در هر بلوک میباشند.
در [8] روشهای Pre-FFT و Post-FFT بصورت ترکیبی استفاده شده است و روش زمان- فرکانس تشکیل گردیده است و یا در روش Pre-FFT بجای استفاده از یک وزن از یک فیلتر TDL روی هر آنتن استفاده کرده است و روش فضا-زمان ایجاد شده است. و نشان داده شده است که عملکرد روش های ترکیبی از روش های مرسوم بسیار بهتر می باشد.از طرفی ساختار MIMO از طریق اعمال روشهای تقسیم فضایی، دایورسیتی و انتنهای ارایهای می تواند نرخ داده ارسالی را بالا ببرد و فیدینگ کانال را کاهش دهد.[10-9] در صورتی که منبع مطلوب از چند آنتن ارسال شود ساختارMIMO-OFDMbeamforming تشکیل میگردد. در مقالات[16-11] شکلدهی پرتو را بجای گیرنده در فرستنده انجام داده اند.
در مقالات [ 13-11] شکلدهی پرتو را در حوزه فرکانس در آنتنهای فرستنده انجام داده است. در مقالات-14] [16 شکلدهی پرتو را در حوزه زمان و در آنتنهای فرستنده انجام داده است.در این مقاله روش شکلدهی پرتو بطور همزمان در آنتن-های فرستنده و گیرنده با استفاده از زیر حامل راهنما پیشنهاد شده است، بدین صورت که ساختار Pre-FFT بطور همزمان در آنتنهای فرستنده و گیرنده استفاده گردیده است.تقسیم بندی مقاله به شرح زیر است در قسمت دوم مقاله روشهای مرسوم Pre-FFT و Post-FFT به اختصار توضیح داده شده است. در بخش سوم جزئیات روش پیشنهادی بیان گردیده و در بخش بعدی نتابج شبیه سازی آورده شده است. در بخش پنجم جمع بندی صورت گرفته است.
-2 ساختار Pre-FFT و Post-FFT
-1-2 ساختار Pre-FFT
در شکل 1 ساختار گیرنده روش Pre-FFT نشان داده شده است. همان طور در شکل میبنیم سیگنال دریافتی روی آنتن-های گیرنده um - n - m 1, ...., M در وزنهای حوزهی زمان vprem ضرب شده و شکل دهی پرتو صورت گرفته و خروجی حوزه زمان y y - 1 - y - 2 - .......y - N - T ایجاد میشود. با تبدیل فوریه گرفتن از بردار y خروجی حوزه فرکانس Y Y - 1 - Y - 2 - .......Y - N - T بدست میآید.در حالت Pre-FFT برای به روز رسانی وزنها از الگوریتم وقفی استفاده میشود. جهت بهروز رسانی ابتدا سیگنال خطا را باید محاسبه کرد که با توجه به اینکه وزن در حوزه زمان قرار دارند باید سیگنال خطا به حوزه زمان انتقال یابد.
-2-2 ساختار Post- FFT
در شکل 2 ساختار گیرنده Post-FFT نشان داده شده است.همان طور که در شکل 2 میبینیم سیگنال دریافتی روی هر کدام از آنتنهای گیرنده وارد بلوک FFT میشود و سیگنال
حوزه فرکانس .......N Un, m n 1, 2 ایجاد میشود. با ضربوزنهای ......M 1 vpostn ,m m درn امین زیرحامل شکلدهیپرتو در حوزه فرکانس در آنتنهای گیرنده صورت می گیرد و خروجی متناظر بدست میآید. همان طور که گفته شد در این ساختار به چندین بلوک FFT در گیرنده نیاز است که این سبب پیچیدگی روش Post-FFT میشود. در حالت Post-FFT مانند حالت Pre-FFT برای بهروز رسانی وزنها از الگوریتمهای وقفی استفاده میشود اما در این حالت چون وزنها در حوزه فرکانس قرار دارند نیازی به انتقال سیگنال خطا به حوزه زمان نمیباشد.
-3 روش شکلدهی پرتو همزمان در آنتنهای فرستنده و گیرنده
شکل 3 روش شکلدهی پرتو همزمان در آنتن های فرستنده و گیرنده را نشان میدهد. همان طور که در شکل میبینیم در این ساختار بر خلاف ساختار Pre-FFT و Post-FFT که یک آنتن برای ارسال منبع مطلوب استفاده میشد، از چندین آنتن برای ارسال منبع مطلوب استفاده میکند. از طرفی در روشهای پیشین شکلدهی پرتو فقط در آنتن گیرنده صورت میگرفت در حالی که در روش پیشنهادی شکلدهی پرتو بصورت همزمان در آنتنهای فرستنده و گیرنده صورت میگیرد. همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است پس از تبدیل فوریه معکوس گرفتن از بردار سیگنال حوزه فرکانس X ، سیگنال حوزه زمانxm m 1, 2, ...., M T روی هر آنتن بدست میآید.
سیگنال های زمانی روی هر آنتن فرستنده در وزن خاص vm ضرب میشوند و عمل شکلدهی پرتو در آنتن های فرستنده صورت میگیرد. به منظور حذف ISI به سیگنال خروجی شکلدهی پرتو در هر آنتن فرستنده زمان محافظ اضافه میشود سپس سیگنال توسط آنتنهای فرستنده ارسال میگردد. سیگنال ارسالی توسط آنتنهای فرستنده پس از عبور از کانال توسط آنتنهای گیرنده دریافت میگردد. در گیرنده در هر آنتن ابتدا زمان محافظ از سیگنال دریافتی حذف میگردد در مرحله بعد شکلدهی پرتو در گیرنده انجام میگیرد بدین صورت که سیگنال هر آنتن در وزنهای خاصی ضرب میشود و خروجی حوزه زمان y تشکیل میگردد. با تبدیل FFT گرفتن از خروجی حوزه زمان، خروجی حوزه فرکانس Y بدست میآید. با توجه به شکل میتوان نوشت در معادله فوق r - n - سیگنال دریافتی حوزه زمان روی آنتنهای گیرنده و W بردار وزن آنتنهای گیرنده میباشد.
-1-3 بهروز رسانی وزن آنتنهای گیرنده
مانند روشهای Pre-FFT و Post-FFT وزن آنتنهای گیرنده باید در هر بلوک OFDM بهروز رسانی شود. سیگنال خطا در حوزه فرکانس با مقایسه Y - k - k 1, 2, .. N با مقدار راهنمای متناظر با آن به دست میآید. با توجه به این که وزن-های گیرنده در حوزهی زمان بهروز میشوند اما خطا در حوزهی فرکانس به دست آمده است بایستی خطا به حوزه زمان نگاشت شود. اگر تعداد زیر حاملهای راهنما P از تعداد کل زیر حاملها یعنی N کمتر باشد، بردار خطای حوزهی فرکانس EP با بعد N بصورت زیر تعریف میشود:
در معادله فوق DP و Y P به ترتیب بردار متناظر با سیگنال مطلوب و سیگنال در یافتی میباشند.اگر k امین زیر حامل از نوع راهنما نباشد المان k امین هر دو بردار برابر با صفر خواهد بود.
