TAS / MRC MIMO Röle Ağ Sisteminin Donanım Hasar Koşullarında Performans Analizi
Li Chao, Guo Daoxing, Guo Kefeng
(İletişim Mühendisliği Okulu, PLA Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Nanjing 210007, Jiangsu)
: Multi-Input-Multi-Output (MIMO) teknolojisinin olgunlaşması ve uygulanmasıyla birlikte, gerçek röle ağ sisteminin tasarımında giderek daha fazla sorun dikkate alınmaktadır. Donanım Bozuklukları (HI) ) Son yıllarda ortaya konan önemli bir etkileyen faktördür. İletim şeması olarak İletim Anteni Seçimi / Maksimal Oran Birleştirme (TAS / MRC) ile Kod Çözme İletimi (DF) MIMO röle ağ sistemi modelinde, donanım hasarının sistem üzerindeki etkisi incelenmiştir. Kesinti olasılığının, verimliliğin ve enerji verimliliğinin etkisi. Özellikle, sistemin donanım hasarı durumunda kesinti olasılığı, verimi ve enerji verimliliğinin kapalı ifadeleri türetilir ve anten sayısının sistem donanım hasarının derecesi üzerindeki etkisi basitçe simülasyon yoluyla analiz edilir ve farklı tahsis şemaları karşılaştırılır. Son olarak, teorik analizin doğruluğunu doğrulamak için Monte Carlo simülasyon sonuçları verilmiştir.
: Kesinti olasılığı; verim; enerji verimliliği; MIMO; TAS / MRC; DF; donanım hasarı
: TN925 belge tanımlama kodu: ADoi: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.10.019
Alıntı biçimi Li Chao, Guo Daoxing, Guo Kefeng. TAS / MRC MIMO röle ağ sisteminin donanım hasarı altında performans analizi [J]. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2017, 36 (10): 65-69, 73.
0 Önsöz
Modern kablosuz iletişim teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte, spektrum kaynakları giderek daha az hale geliyor ve yüksek frekanslı iletişim, günümüzün kablosuz iletişiminin ana akım aşamasına yavaş yavaş adım attı. Bununla birlikte, frekanstaki artışla birlikte, sinyal dalga boyu daha kısadır ve kırınım yeteneği zayıftır.Sinyal kapsama alanında bariz eksiklikler vardır ve sinyal kör noktaları görünmeye eğilimlidir. Röle teknolojisi ortaya çıktı. Rölenin iletilmesine bağlı olarak, sinyal kapsamı daha etkin bir şekilde genişletilebilir.Aynı zamanda, röle teknolojisi yükü etkili bir şekilde dengeleyebilir ve sistemin güvenilirliğini artırabilir.Röle teknolojisi, yeni nesil iletişim ağında da gerekli bir anahtar olarak kabul edilir. Teknoloji [12].
Röle ağları ile ilgili birçok teknik araştırmada, çoklu anten teknolojisi, sistem kapasitesini ve aktarım bağlantısının röle teknolojisindeki güvenilirliğini daha da etkili bir şekilde geliştirebilir, bu nedenle geniş çapta çalışılmış ve uygulanmıştır. Alıcı-verici, çoklu giriş ve çoklu çıkış elde etmek için çoklu antenlerle donatıldığında, buna MIMO teknolojisi denir. MIMO, kablosuz iletişim sistemlerine mekansal çoğullama kazancı getirebilir; bu, sistemin spektrum verimliliğini iyileştirmek için büyük fayda sağlar ve bu da sistemin etkinliğini etkili bir şekilde artırabilir ve sistem kapasitesini ikiye katlayabilir. MIMO'nun sisteme getirdiği uzamsal çeşitlilik kazancı, sistemin güvenilirliğini artırır ve bit hata oranını önemli ölçüde azaltır. Bir MIMO sisteminde TAS / MRC son derece önemli bir aktarım stratejisidir. İletim ucunda, pilot sinyal geri beslemesi yoluyla optimum gürültü oranı elde edilir ve iletim için optimum bir anten seçilir ve daha sonra maksimum oran birleştirme şeklinde alıcı uç tarafından alınır. Bu strateji yaygın olarak kullanıldı ve derinlemesine analiz ve araştırma yapıldı, çünkü sadece verici uçta bir radyo frekansı devresini yapılandırması gerekiyor, mevcut entegre devre seviyesini tam olarak dikkate alıyor ve maliyet, teknik zorluk ve sistem performansı açısından iyi bir iş çıkardı. Uzlaşma [34].
Bununla birlikte, şu anda bilinen araştırma ve belgelerin çoğu ideal donanım koşullarında analiz edilir ve donanım hasarı genellikle pratik uygulamalarda göz ardı edilemeyecek bir etkiye sahiptir. Gerçek iletişimde, solma, gürültü, parazit ve diğer faktörlere ek olarak, donanımın kendisi tarafından üretilen gürültü de sistemin performansını etkileyen önemli bir faktördür [56]. Bu, dengesiz I / Q kolunu, doğrusal olmayan güç amplifikatörü tarafından üretilen eşdeğer gürültüyü ve donanımın kendisine eşdeğer olduktan sonra tek tip olarak donanım hasarı olarak tanımlanan radyo frekansı devresinin gürültüsünü vb. İçerir. Literatür [7] ~ [9], tek sekmeli iletişim ağlarında donanım hasarının etkisini değerlendirdi. Literatür [10], ilk kez üç düğümlü modele dayalı olarak donanım hasar analizi gerçekleştirdi. Bu çalışmalar, donanım hasarı ve donanım hasarı üzerinde çalışmanın gerekliliği anlayışını daha da derinleştirmek için büyük önem taşıyor.
Yukarıda bahsedilen mevcut araştırma sonuçlarına dayanarak, bu makale ilk olarak iki atlamalı bir DF MIMO röle ağ sistemi modeli kurar ve iletim stratejisi olarak TAS / MRC'yi seçer; ikincisi, kesinti olasılığına, sistem verimine ve performans analizi kriterleri olarak enerji verimliliğine dayalı Rayleigh Kanal altında karşılık gelen kapalı ifadeler ve aşamalı ifadeler; üçüncü olarak, performans analizini farklı anten numarası şemaları altında karşılaştırarak, donanım hasarının MIMO sistemi üzerindeki etkisini inceleyin ve anten numarası tahsisi için güçlü bir referans sağlayın; son olarak, tüm teoriler Analiz, simülasyon sonuçlarıyla doğrulanır.
1 Sistem ve kanal modeli
Şekil 1'de gösterildiği gibi, Rayleigh kanal modeli altında bir çift atlamalı DF çok antenli röle ağ sistemini düşünün. Sinyalin kodu çözülür ve kaynak düğümü S ile hedef düğüm D arasındaki bilgi aktarımını gerçekleştirmek için işleme ve yönlendirme röle düğümü R tarafından iletilir. Makaledeki tüm düğümler yarı çift yönlü modu benimser ve belirli sayıda antenle donatılmıştır. S ve D arasındaki doğrudan bağlantı bu makalede ele alınmamaktadır.
TAS / MRC'de, optimum iletim antenini seçmek için, gerçek zamanlı kanal durum bilgisinin (CSI) elde edilmesi gerekir. Bu amaçla, S düğümü bir pilot sinyal iletir ve R düğümünün tüm antenleri yanıt verir. Bu makalede seçilen TAS / MRC stratejisine göre, R düğümü, sinyal-gürültü oranını hesaplamak için maksimum oran kombinasyonunu kullanır ve geri besler.S-düğümü, en iyi sinyal-gürültü oranını en iyi verici anten olarak elde edebilen anteni seçecektir. Birinci zaman aralığında, verici uç, röle ucuna N / 2 semboller göndermek için anteni seçer Röle ucu, bir sonraki zaman diliminde röle düğümünün en iyi verici antenini seçmek için aynı anten seçim yöntemini kullanacaktır. Kod çözme ve yönlendirme gerçekleştirilir ve ardından hedef düğüm, alınacak maksimum oran kombinasyonunu benimser. H'nin bağımsız ve aynı şekilde dağıtılmamış Rayleigh rastgele değişkenlerini temsil ettiğini, s'nin vericideki iletim sinyali olduğunu ve ortalama gücünün P = E [s2] olduğunu varsayalım; v, dikkate alındığında toplam Beyaz Gauss Gürültüsüdür (AWGN) Sistemin donanımı hasar gördüğünde, k'nin donanım hasarının derecesini açıklayan bir tasarım parametresi olduğu varsayılarak, distorsiyon gürültüsü k2P'nin sıfır beklenen varyansı ile olarak ifade edilebilir ve alınan sinyal y = h (s + ) + v olarak ifade edilebilir. Ayrıca sir ve rjd'yi, kaynaktaki en iyi verici anten i'den röleye ve rölede hedefe en iyi verici anten j'den distorsiyon eşdeğer gürültü olarak tanımlayın, Ps ve Pr sırasıyla kaynağın ve rölenin iletim gücünü temsil eder. Bu şekilde, donanım hasarı koşulları altında, sistemin karşılık gelen SNDR'sinin (Sinyal-Gürültü-Bozulma-Oranı) şu şekilde ifade edilebileceği sonucuna varılabilir:
Burada q = | h | 2 kanal kazancıdır ve q ~ (1 / ); V0 = E [| v | 2] gürültü gücünü temsil eder.
Sistem, sistem kaybını azaltmak için TAS / MRC antenini kullandığında ve donanım hasarını göz önünde bulundurduğunda, elde edilebilecek sinyal-gürültü oranı aşağıdaki gibidir:
Pi, vericideki S düğümünün iletim gücü olduğunda; qij, kaynaktaki i-inci anteninden röledeki j-inci antene kanal kazancıdır; Vr, röledeki gürültü gücüdür; ksi, kaynaktaki i-inci anteni tanımlamak için kullanılır Bir verici anten olarak kullanıldığında, karşılık gelen röle anteninin donanım hasarı derecesine göre; Ns ve Nr, sırasıyla kaynak ve röledeki anten ekipmanı sayısını temsil eder.
Aynı şekilde, ikinci zaman aralığının SNR ifadesi de elde edilebilir:
Pj, verici ucundaki R düğümünün iletim gücü olduğunda, qjh, röle anteninin j ve hedef anten h'nin kanal kazancıdır, Vd, hedef düğümün gürültü gücüdür, krj, karşılık gelen iletim bağlantısının donanım hasar derecesini tanımlamak için kullanılır ve Nd, Düğüm D'nin anten sayısı.
2 sistem performans analizi
Önceki modele göre bu bölüm, analiz kriteri olarak kesinti olasılığı, verim ve enerji verimliliği olmak üzere üç önemli performans parametresini alır ve donanım hasarını dikkate alma koşulu altında karşılık gelen kapalı ifadeleri verir.
2.1 Sistem terminalinden terminale SNDR
Sistem, kod çözme ve iletme protokolünü benimser Literatüre [10] göre, karşılık gelen koşullar altında, sistemin terminalden terminale SNDR'si şu şekilde ifade edilebilir:
e = dk {1, 2} (6)
2.2 Performans analizi
2.2.1 Kesinti olasılığı
Sistemin anlık SNDR'si, belirli bir olasılıktan, sistemin kararlı bir şekilde iletim yapmasını sağlayan önceden belirlenmiş bir eşiğin altına düşecektir Bu olasılık, kesinti olasılığıdır. Eşik x0 olarak ayarlandığında, ifade aşağıdaki gibidir:
Somurtmak (e < x0) = Pout (min {1, 2} < x0)
= Somurtmak (1 < x0) + Somurtmak (2 < x0) -
Somurtmak (1 < x0) Somurtmak (2 < x0) (7)
Kanal kazancının karşılık gelen kümülatif dağılım işlevi (Kümülatif Dağıtım İşlevi, CDF) ifadesi şöyledir:
Ksi = k1, i {1, ..., Ns} olsun, literatüre [11] göre, ilk zaman aralığının kümülatif dağılım fonksiyonu şu şekilde ifade edilebilir:
Qij ~ (1 / (1) m), (m {1, ..., Ns}), ( (1) 1 > (1) 2 > > (1) ()), ilk zaman aralığının ortalama kanal kazancının azalan düzenlemesini temsil eder, 1 = diag ( (1) 1, (1) 2, ..., (1) Ns), (1) Köşegen matris 1'deki farklı elemanların sayısını temsil eder ve (1) 1'de (1) m'nin çokluğunu temsil eder. 1m, n, 1'deki karşılık gelen (m, n) öğesinin karakteristik katsayısıdır.
Aynısı - için de geçerli:
Yukarıda analiz edilen sistem kesintisi olasılığından, e'nin kesinti olasılığı CDF'si şu şekilde ifade edilebilir:
2.2.2 Sistem verimi
Kesinti olasılığına ek olarak, sistem verimi, sistem performansını ölçmek için bir başka önemli parametredir. Literatürdeki [12] tanımına göre, sistem verimi, belirli bir iletim hızı (b / s) / Hz'de kaynaktan hedefe iletim yarı-inanç oranıdır. Sistemin doğru iletimi garanti edemeyeceği düşünülürse, sistemin verimi 0'dır, bu durumda sistem veriminin ifadesi şu şekilde elde edilebilir:
2.2.3 Sistem enerji verimliliği
Sistemin doğru iletimi garanti edebileceği düşünüldüğünde, hedef bir / 2 (b / s) / Hz sinyali aldığında, doğal iletim gücü ve devre tarafından kaybedilen bir miktar güç dahil olmak üzere belirli bir miktarda güç kaybedecektir. Bu makale, donanım hasarı durumunda donanım hasarının güç tüketimini ele almaktadır. E (b / s) / Hz / W'yi enerji verimliliği olarak tanımlayın, yani:
Formülde s, d, d sırasıyla üç düğümden oluşan tek bir anten sinyalleri ilettiğinde veya aldığında donanım hasarından kaynaklanan kaybı temsil eder.
Önceki donanım hasarı tanımına göre, s + recr = Psk21 ve tranr + d = Prk22.
3 Simülasyon sonuçları
Teorik analizin doğruluğunu teyit etmek için simülasyon sonuçları bu bölümde verilmektedir. SNR, karşılık gelen bağlantının iletim gücünün Gauss beyaz gürültüsüne oranı olarak tanımlanır. Açıklamada özel bir açıklama olmadığında, k1 = k2 = k = 0.2, Ns = Nr = Nd = N = 2.
Şekil 2, donanım hasarı koşulları altındaki DF MIMO röle ağını ve ideal donanım koşullarında kesinti olasılığı diyagramını göstermektedir. Şekilden, teorik eğrinin ve gerçek simülasyon eğrisinin, teorik analizin doğruluğunu doğrulayan, dikkate alınan sinyal-gürültü oranı koşulu aralığı içinde nispeten yakın olduğu görülebilir.Aynı zamanda, donanım hasarı koşulları altında eğri performansı ideal koşullardan önemli ölçüde daha iyidir. Düşüş, ayrıca donanım hasarının sistem tasarımı üzerinde göz ardı edilemez bir etkiye sahip olduğunu gösterir.
Şekil 3, SISO ve MIMO'nun DF röle ağ sisteminin kesinti olasılığının simülasyon diyagramını göstermektedir. Teorik değer ve simülasyon değeri beklendiği gibi uyumludur. Aynı zamanda teorik türetme ile paralel olarak anten sayısı arttıkça kesinti olasılığının da tekdüze azaldığı görülmektedir.
Şekil 4, dört tipik farklı anten numarası tahsis şemasının, toplam anten sayısı sabitlendiğinde kesinti olasılığı üzerindeki etkisini göstermektedir. Şekil 4, dağıtım eşit olduğunda sistemin kesinti olasılığının minimuma ulaştığını doğrular.
Şekil 5, performans analizi standardı olarak enerji verimliliği seçildiğinde ideal koşullar altında sistem performansının ve farklı donanım hasarı derecelerinin karşılaştırmasını göstermektedir. Donanım hasarının derecesi arttıkça enerji verimliliğinin önemli ölçüde azaldığı görülebilir. Aynı zamanda verilen koşullar altında sinyal-gürültü oranı arttıkça kesinti olasılığının arttığı ve donanım hasarından kaynaklanan kayıpların arttığı görülebilmektedir, bu nedenle sinyal-gürültü oranı belli bir değere yükseldikten sonra enerji verimliliği düşmeye başlamaktadır.
Şekil 6, farklı anten numaralarına sahip SISO ve MIMO sistemleri arasındaki performans karşılaştırmasını göstermektedir. Anlaşıldığı üzere, belirli koşullar altında anten sayısı arttıkça, enerji verimliliği kısa bir artıştan sonra düşmeye başlar ve bu enerji verimliliğinin optimal değeri N = 2 ~ 3'te görünür.
4. Sonuç
Bu makale, donanım hasar koşullarına dayalı olarak röle ağ sisteminin performansını analiz etmektedir. Teorik türetme ve simülasyon doğrulama sayesinde MIMO sisteminin SISO sistemine göre alım kazancını iyileştirmede bariz avantajlara sahip olduğu görülmektedir.Anten arttıkça sistem kesintisi olasılığı daha düşüktür, ancak bunun için ödenmesi gerekebilecek fiyat göz ardı edilemez. , Donanım hasarının artması ve enerji verimliliğinin düşmesidir. Simülasyon sürecinde, ileten ucun gücünün sistem performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu ve güç tahsisinin gerçek sistem tasarımı için derin bir öneme sahip olduğu da açıkça görülebilir.
Referanslar
1 SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. Kullanıcı işbirliği çeşitliliği Bölüm I. Sistem tanımı J. IEEE İşlemleri İletişim, 2003, 51 (11): 1927-1938.
2 SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. Kullanıcı işbirliği çeşitliliği Kısım II Uygulama yönleri ve performans analizi J. IEEE İşlemleri İletişim, 2003, 51 (11): 1939-1948.
3 Li Qinghua, LIN XE, Zhang Jianzhong, ve diğerleri.WiMAX'ta MIMO teknolojisinin gelişimi: IEEE 802.16d / e / j'den 802.16m'ye J .IEEE Communications Magazine, 2009, 47 (6): 100- 107.
4 Zhang Xing, Chen Feng, Wang Wenbo MIMO verici anten seçim sistemlerindeki çok kullanıcılı çeşitliliğin kesinti olasılığı çalışması J. IEEE Signal Processing Letters, 2007, 14 (3): 161-164.
5 COSTA E, PUPOLIN S. Doğrusal olmayan amplifikatör ve faz gürültüsü varlığında MQAMOFDM sistem performansı J. IEEE İşlemleri İletişim, 2002, 50 (3): 462-472.
[6] STUDER C, WENK M, BURG A. Artık iletim transmissionRF engelli MIMO iletimi [C] Akıllı Antenler üzerine Uluslararası Itg Çalıştayı, IEEE, 2010: 189-196.
7 ZETTERBERG P. TDD karşılıklılık temelli sıfır zorlamalı iletim ön kodlamasının deneysel araştırması J EUR. Sinyal İşlemede Gelişmeler Üzerine EURASIP Dergisi, 2011, 2011 (1): 110.
[8] SCHENK T C W, FLEDDERUS ER, SMULDERS P F M. IQ dengesizliği olan zeroIF MIMO OFDM alıcı-vericilerin performans analizi J. Journal of Communications, 2007, 2 (7).
9 DARDARI D, TRALLI V, VACCARI A. OFDM sistemlerinde doğrusal olmayan bozulma etkilerinin teorik karakterizasyonu J. IEEE İşlemleri İletişim, 2014, 48 (10): 1755-1764.
10 BJORNSON E, MATTHAIOU M, DEBBAH M. İkili satış aktarımına yeni bir bakış: donanım bozukluklarıyla performans sınırları J. IEEE İşlemleri İletişim, 2013, 61 (11): 4512-4525.
11 BLETSAS A, SHIN H, WIN M Z. Kesinti ile işbirliğine dayalı iletişim J. Kablosuz İletişim Üzerine IEEE İşlemleri, 2007, 6 (9): 3450-3460.
