MIMO-Verfahren für OQAM-OFDM-Systeme

Transkript

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2 Übersicht 1 Motivation 2 Aufbau einer SISO-OQAM-OFDM-TMUX-Filterbank 3 Aufbau der MIMO-Übertragungssysteme 4 MIMO mit räumlicher Diversität 5 MIMO mit Raummultiplex 6 Fazit p.2

3 Motivation Aktuell: Das Mehrträger-Übertragungsverfahren CP-OFDM (z. B. in WLAN) Nachteil: Zyklische Wiederholung und geringe Seitenbandunterdrückung Alternative: Das Filterbank-basierte Mehrträger-Übertragungsverfahren OQAM-OFDM Vorteil: Erhöhte spektrale Effizienz und hohe Seitenbandunterdrückung Nachteil: höhere Komplexität Vergleich der Leistungsfähigkeit und Komplexität verschiedener MIMO-Verfahren Bestehende MIMO-Algorithmen für räumliche Diversität und Raummultiplex wurden für CP-OFDM analysiert und für OQAM-OFDM angepasst p.3

4 Aufbau einer SISO-OQAM-OFDM-TMUX-Filterbank Grundlagen CP-OFDM Mehrträgerverfahren mit Rechteck-förmigen Impulsformungsfilter mit zyklischer Wiederholung von N g Datensymbolen zum Schutz gegen Mehrwegeausbreitung OQAM-OFDM Kombination von Offset-QAM mit dem OFDM-Schema zu einem Filterbank-basierten Verfahren Gegenüber CP-OFDM wird ein sogenannter Prototypfilter eingesetzt Orthogonalität basiert auf reellen Datensymbolen p.4

5 Aufbau einer SISO-OQAM-OFDM-TMUX-Filterbank OQAM-Modulation c m,n R{.} 2 jφ e m,n a m,n ã m,n I{.} 2 z 1 c m+1,n OQAM-Vorverarbeitung I{.} 2 a m+1,n jφ e m+1,n ã m+1,n R{.} 2 z 1 p.5

6 Aufbau einer SISO-OQAM-OFDM-TMUX-Filterbank IDFT-Polyphasensynthesefilterbank γ S,0 c 0,n c 1,n c m,n c 2M 1,n O Q A M - V o r v e r a r b e i t u n g a 0,n γ S,1 a 1,n γ S,m a m,n γ S,2M 1 a 2M 1,n I D F T E 0 (z 2 ) E 1 (z 2 ) E m (z 2 ) E 2M 1 (z 2 ) M M M M z 1 z 1 z 1 z 1 z 1 s[k] p.6

7 Aufbau einer SISO-OQAM-OFDM-TMUX-Filterbank DFT-Polyphasenanalysefilterbank ˆγ A,0 s[k] z β s[k β] M G 2M 1(z2 ) z 1 z 1 z 1 z 1 z 1 M G m (z 2 ) M G 1 (z 2 ) M G 0 (z 2 ) ˆx 2M 1 ˆx m ˆx 1 ˆx 0 D F T ˆγ A,1 ˆγ A,m ˆγ A,2M 1 R{.} R{.} R{.} R{.} â 0,n α â 1,n α â m,n α â 2M 1,n α O Q A M - N a c h v e r a r b e i t u n g ĉ 0,n α ĉ 1,n α ĉ m,n α ĉ 2M 1,n α p.7

8 Aufbau einer SISO-OQAM-OFDM-TMUX-Filterbank FIR-Prototypfilter mit der Länge L p = KM + 1 = 257 pnorm[k] k Pnorm(f) [db] A = -46 db Normierte Frequenz f p.8

9 Aufbau einer SISO-OQAM-OFDM-TMUX-Filterbank Intrinsische Interferenz Im Bereich( m±2, n±4) tritt bei den Nachbarsymbolen abhängig vom gewählten Prototypfilter intrinsische Interferenz auf Abhängig von der OQAM-Modulation ist die intrinsische Interferenz zeit- und/oder frequenzabhängig m 1 m m+1 Frequenz n n 1 n+1 â m,n Zeit p.9

10 Aufbau der MIMO-Übertragungssysteme MIMO-Kanalmodell T x M t M r R x Kanalmatrix für den zeitinvarianten Kanal: H (m) = h (m) 1,1 h (m) 1,2 h (m) 2,1 h (m) 2,2 h(m) 1,M t.... h (m) M r,1... h (m) M r,m t. p.10

11 Aufbau der MIMO-Übertragungssysteme Basisbanddarstellung des Empfangsvektors CP-OFDM r (m,n) = H (m) x (m,n) + z (m,n) OQAM-OFDM r (m,n) H (m)( x (m,n) + jf (m,n)) + z (m,n) p.11

12 Aufbau der MIMO-Übertragungssysteme Simulationsszenario Simulation der verschiedenen Ansätze in MATLAB Orientierung am WLAN Standard Modell B für ein Inhausszenario mit großen Räumen Doppler-Frequenz f D 0 Hz Unterträger M 64 Modulationsverfahren 4 QAM Bandbreite f 20 MHz N g 16 f = f M 312,5 KHz p.12

13 Aufbau der MIMO-Übertragungssysteme Vergleich der spektralen Effizienz Auswertung der Leistungsfähigkeit über die Bitfehlerwahrscheinlichkeit für verschiedene Signal-zu-Rauschverhältnisse Manuelle Anpassung des SNRs von CP-OFDM nach der Simulation: SNR CP-OFDM = σ2 r(m + N g ) qσ 2 0 M SNR OQAM-OFDM = σ2 r qσ 2 0 M QAM : M = 2 q Mit M = 64 und N g = 16 ergibt sich eine Verschiebung von ungefähr 2,23 db p.13

14 MIMO mit räumlicher Diversität Allgemein Erhöhung des Diversitätsgewinns durch entweder gleiche oder fast gleiche Datenströme auf jedem Sender Anordnung: 2 M r Ziel: Ansatz für Maximum Ratio Combining von CP-OFDM auf OQAM-OFDM zu übertragen MRC basiert auf dem Alamouti-Schema für eine 2 1-Anordnung und kombiniert optimal alle Empfangssignale Anpassung für OQAM-OFDM aufgrund der reellen Orthogonalität p.14

15 MIMO mit räumlicher Diversität Maximum Ratio Combining CP-OFDM ˆx = H H eff r = 1 H 2 F x+hh eff z 2 H 2 F = h 1,1 2 + h 2, h Mr,1 2 + h 1,2 2 + h 2, h Mr,2 2 OQAM-OFDM ˆx =R{h r} = 1 h QOAM x+r{h z} 2 h QOAM = h 1, R{h 1,1h 1,2 }+ h 1, h Mr, R{h M r,1h Mr,2}+ h Mr,2 2 p.15

16 MIMO mit räumlicher Diversität Leistungsfähigkeit MISO 2 1 Anordnung MIMO 2 4 Anordnung Bitfehlerwahrscheinlichkeit Bitfehlerwahrscheinlichkeit OQAM MRC CP MRC mit Korr Signal- zu Rauschverhältnis [db] OQAM MRC CP MRC mit Korr Signal- zu Rauschverhältnis [db] p.16

17 MIMO mit räumlicher Diversität Komplexität KomplexitätC (Anzahl reeller Multiplikationen) OQAM Zero-Forcing OQAM MRC, M r = 4 CP Zero-Forcing CP MRC, M r = Anzahl Unterträger 2M p.17

18 MIMO mit Raummultiplex Allgemein Erhöhung der Datenrate durch unabhängige Datenströme auf jedem Sender Anordnung: 2 M r mit M r M t Ziel: Untersuchung von MMSE-Schätzern und ML-Entscheidern für CP- und OQAM-OFDM p.18

19 MIMO mit Raummultiplex MMSE-Schätzer Geringer Rechenaufwand, jedoch Rauchverstärkung und konvergiert zum ZF für hohe SNR ML-Entscheider Hohe Anzahl von Kombinationen aufgrund der intrinsischen Interferenz ( 2,43 ˆf 1, ˆf 2 2,43) führt zu extrem hohen Signalaufwand Eliminierung der intrinischen Interferenz vor dem ML-Entscheider y = r jhˆf H ( ) x+j(f ˆf) + z H(x+jǫ)+ z p.19

20 MIMO mit Raummultiplex Rec-ML-Entscheider nach Zakaria R 1 Hauptstufe F B M C r (m,n) MMSE- Schätzer R Mr x (m,n) I{.} ˆf(m,n) y (m,n) ML- Entscheider x (m,n) ML Datenverarbeitung F B M C Interferenzelimination Î (m,n) Interferenzberechnung p.20

21 MIMO mit Raummultiplex Rec-ML-Entscheider nach PHYDYAS R 1 F B M C F B M C r (m,n) ˆx (m,n) Stufe 1 x (m,n) ML,1 M M y (m,n) ML- Î (m,n) S Entscheider R Mr Stufe 2,3... E Interferenzberechnung Interferenzelimination Datenverarbeitung p.21

22 MIMO mit Raummultiplex Leistungsfähigkeit Bitfehlerwahrscheinlichkeit 10 1 OQAM MMSE OQAM Rec-ML PHYDYAS OQAM Rec-ML Zakaria CP MMSE mit Korrektur CP ML mit Korrektur Signal- zu Rauschverhältnis [db] p.22

23 MIMO mit Raummultiplex Komplexität KomplexitätC (Anzahl reeller Multiplikationen) OQAM MMSE, M t = M r = 2 OQAM Zakaria, M t = M r = 2 OQAM Phydyas, M t = M r = 2 CP MMSE, M t = M r = 2 CP ML, M t = M r = Anzahl Unterträger 2M p.23

24 Fazit Zusammenfassung Intrinsische Interferenz kann je nach OQAM-Modulation unterschiedliche Zeit- und Frequenzabhängigkeiten aufweisen Unter Annahme der vorgestellten MIMO-Algorithmen und dem Simulationsszenario: Räumliche Diversität: MRC-Ansatz für OQAM-OFDM Bei geringfügig höherer Komplexität ist OQAM-OFDM bei niedrigen SNR-Werten leistungsfähiger Raummultiplex: Verschiedene mehrstufige Modelle für OQAM-OFDM Alle Modelle wesentlich rechenaufwändiger als der ML-Entscheider für CP-OFDM, bei niedrigen SNR-Werten leistungsfähiger p.24

25 Fazit Aussicht Leistungsfähigkeit bei niedrigerer oder höherer Frequenzselektivität des Übertragungskanals Eliminierung der intrinsischen Interferenz auf der Senderseite Implementierung der Algorithmen auf einer realen Testumgebung (z. B. LabVIEW und USRP-Boards) p.25