Mimo systems & multi layer coding

Θεόδωρος Ντούσκας
Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Μηχανικός Υπολογιστών
ΕΜΠ

Α΢ΤΡΜΑΣΑ ΢Τ΢ΣΗΜΑΣΑ ΚΙΝΗΣΩΝ
ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ & ΕΦΑΡΜΟΓΕ΢
΢Τ΢ΣΗΜΑΣΑ MIMO & ΧΩΡΟΧΡΟΝΙΚΗ
ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗ΢Η
ΣΕΧΝΙΚΗ ΠΟΛΤΕΠΙΠΕΔΗ΢ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗ΢Η΢
ΤΛΟΠΟΙΗ΢Η ΣΗ΢ ΣΕΧΝΙΚΗ΢ ESTC
2

 Η κυψελωτι τθλεφωνία αρικμοφςε πάνω από 5
διςεκατομμφρια χριςτεσ μζχρι τα μζςα του 2010
 Για τθν κάλυψθ των αναγκϊν επικοινωνίασ των
χρθςτϊν αναπτφχκθκε το πρότυπο GSM
4

 Η λειτουργία τουσ ςχετίηεται με τθν κάλυψθ των
τελευταίων 30 - 50 μζτρων του δικτφου
 Κυριότεροσ εκπρόςωποσ είναι το WiFi (ΙΕΕΕ 802.11)
5

 Με τθν ανάπτυξθ των δικτφων 3G ειςιχκθ θ ζννοια
του Παγκόςμιου ΢υςτιματοσ Κινθτϊν Επικοινωνιϊν
UMTS
6

 ΢τόχοσ είναι θ ολοκλιρωςθ δικτφων και υπθρεςιϊν
και θ ταυτόχρονθ ςφγκλιςθ ςτακερϊν και κινθτϊν
επικοινωνιϊν
8

 Αναπτφχκθκαν τα πρότυπα DVB-T, DVB-T2 & DVB-H
που χρθςιμοποιικθκαν ςτθν ανάπτυξθ τθσ
τθλεόραςθσ υψθλισ ευκρίνειασ HDTV
 DVB 3D-TV: Πρότυπο για τθν τριςδιάςτατθ τθλεόραςθ
9

 Πρόκειται για ςυςτιματα πολλαπλϊν κεραιϊν
εκπομπισ και πολλαπλϊν κεραιϊν λιψθσ
 Τιοκετικθκαν ςτο πρότυπο IEEE 802.11n (WiFi) για
αφξθςθ του ρυκμοφ μετάδοςθσ ςτα 108 Mbps
11

 Κζρδοσ Χωρικήσ Πολυπλεξίασ (Spatial Multiplexing
Gain, SMG) που αφορά τθν αφξθςθ του ρυκμοφ
μετάδοςθσ αποςτζλλοντασ διαφορετικά ςφμβολα
ταυτόχρονα από τισ κεραίεσ εκπομπισ
 Κζρδοσ Διάταξησ (Array Gain, AG) που επιτυγχάνεται
κυρίωσ ςτθν πλευρά τθσ λιψθσ αξιοποιϊντασ κάποιο
ςχιμα χωροχρονικισ κωδικοποίθςθσ
 Διαφορικό Κζρδοσ (Diversity Gain, DG) το οποίο
κακορίηεται από τθν ανεξαρτθςία των διαδρομϊν του
ςιματοσ με μζγιςτθ τιμι ίςθ προσ το γινόμενο πλήθοσ
κεραιϊν εκπομπήσ ∙ πλήθοσ κεραιϊν λήψησ
12

 SER(SNR)=D(SNR+AG) D: ↓ ςυνάρτθςθ
 SER(SNR)=D(FDG(SNR)) FDG: ↑ ςυνάρτθςθ
13

 ΢τα ςυςτιματα SIMO 1X2 είναι δυνατι θ επίτευξθ
διαφορικοφ κζρδουσ και κζρδουσ διάταξθσ μόνο ςτθ
λιψθ
 ΢τα ςυςτιματα MISO 2X1 είναι δυνατι θ επίτευξθ
διαφορικοφ κζρδουσ μόνο ςτθν εκπομπι
 ΢τα ςυςτιματα ΜΙΜΟ 2Χ2 επιτυγχάνεται ο
ςυνδυαςμόσ των ανωτζρω κερδϊν
16

17
Σφςτημα Μζγιςτο Κζρδοσ Διάταξησ Μζγιςτο Διαφορικό Κζρδοσ
SIMO M M
MISO (Alamouti) 1 N
MIMO (Alamouti) M N∙M
N: Πλικοσ κεραιϊν εκπομπισ
Μ: Πλικοσ κεραιϊν λιψθσ
Γενικότερα:

19
Επίτευξθ Διαφορικοφ Kζρδουσ Σεχνικι Alamouti
Επίτευξθ Kζρδουσ Χωρικισ Πολυπλεξίασ

 Μζχρι πρόςφατα χρθςιμοποιόταν μόνο ςε ψθφιακά
πρότυπα ςυμπίεςθσ βίντεο & εικόνασ (MPEG-4, JPEG)
 Επεκτάκθκε θ χριςθ τθσ ςε broadcast & multicast
εφαρμογζσ (π.χ. DVB)
 Βαςίηεται ςτθ μετάδοςθ τθσ πλθροφορίασ ςε
ςτρϊματα (layers) ςθμαντικότθτασ
 Η απολφτωσ απαραίτθτθ πλθροφορία αποςτζλλεται
μζςω του βαςικοφ ςτρϊματοσ BL και θ υπόλοιπθ μζςω
του βελτιωτικοφ ςτρϊματοσ EL ςχθματίηοντασ τθ
Διπλι ΢τρωμάτωςθ (DL)
21

 ΢ε κάκε ςτρϊμα αποδίδεται ςυγκεκριμζνο κλάςμα
ιςχφοσ και θ επιλογι του ςχιματοσ διαμόρφωςθσ
είναι ανεξάρτθτθ από αυτιν του ζτερου ςτρϊματοσ
 Επειδι είναι επικυμθτι όςο το δυνατόν αςφαλζςτερθ
μετάδοςθ του BL, αποδίδεται ςτο BL μεγαλφτερο
κλάςμα ιςχφοσ και πλζον εφρωςτο ςχιμα
διαμόρφωςθσ ςε ςφγκριςθ με το EL
 Ορίηονται ο λόγοσ ιςχφοσ r και οι ςυντελεςτζσ wBL, wEL
22

24
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Quadrature
In-Phase
2-QAM
0 1

25
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Quadrature
In-Phase
4-QAM
0
1
2
3

26
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
Quadrature
In-Phase
(1,1)
(0,0) (0,2) (1,0) (1,2)
(1,3)(0,3)(0,1)
BL 2QAM - EL 4QAM r =1

27
MLD: Ανίχνευςθ Μζγιςτθσ Πικανοφάνειασ
h: ΢υνιςτϊςα Διαφλου
n: ΢υνιςτϊςα κορφβου Gauss

28
Αρχι λειτουργίασ τθσ ESTC

29
-5 0 5 10 15 20 25 30
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNR (dB)
BER Basic Layer on MIMO & SISO with r=5
2-Qam Alamouti 2X2
2-Qam Alamouti 2X1
2-Qam SISO

30
-5 0 5 10 15 20 25 30
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNR (dB)
BER Enhancement Layer on MIMO & SISO with r=5
2-Qam Alamouti 2X2
2-Qam Alamouti 2X1
2-Qam SISO

32
-5 0 5 10 15 20 25
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNR (dB)
BER
BL Performance for MIMO 2X2 on Rayleigh channel
BL 2-Qam Alamouti 2X2 for r=2

33
-5 0 5 10 15 20 25
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNR (dB)
BER
EL Performance for MIMO 2X2 on Rayleigh channel
EL 4-Qam Alamouti 2X2 for r=2

35
-5 0 5 10 15 20 25
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNR (dB)
BER
Comparison DL-SL on Rayleigh channel & r = 4
BL 4-Qam Alamouti 2X1
EL 4-Qam Alamouti 2X1
SL 16-Qam Alamouti 2X1
SL 16-Qam Alamouti 2X2

 Χριςθ Alamouti Ρυκμόσ μετάδοςθσ ίδιοσ με
ςφςτθμα SISO
 Χωρίσ χριςθ Alamouti ςτο EL Διπλάςιοσ ρυκμόσ
μετάδοςθσ ςτο ςτρϊμα αυτό
 Σο BL αποςτζλλεται πάντοτε κωδικοποιθμζνο με τθν
τεχνικι Alamouti για αςφαλζςτερθ μετάδοςθ του
περιεχομζνου του
36

37
-5 0 5 10 15 20 25
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNR (dB)
BER
Performance of DL for MIMO 2X1, 2X2 on Rice channel & r = 7

38
-5 0 5 10 15 20 25
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNR (dB)
BER
Performance of DL for MIMO 2X1, 2X2 on Rice channel & r = 7
EL 4-Qam NO Alamouti 2X1

39
-5 0 5 10 15 20 25 30
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNR (dB)
BER
Performance of DL for MIMO 4X1, 4X2 , 4X4 on Rayleigh channel & r = 6

40
-5 0 5 10 15 20 25 30
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNR (dB)
BER
Performance of DL for MIMO 2X1, 2X2 on Rayleigh channel & r = 6

 Χριςθ Alamouti Ρυκμόσ μετάδοςθσ ίδιοσ με
ςφςτθμα SISO
 Χωρίσ χριςθ Alamouti ςτο EL Σετραπλάςιοσ
ρυκμόσ μετάδοςθσ ςτο ςτρϊμα αυτό
 Σο BL αποςτζλλεται πάντοτε κωδικοποιθμζνο με τθν
τεχνικι Alamouti για αςφαλζςτερθ μετάδοςθ του
περιεχομζνου του
41

42
-5 0 5 10 15 20 25 30
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNR (dB)
BER

43
-5 0 5 10 15 20 25 30
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNR (dB)
BER

44
-5 0 5 10 15 20 25 30
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNR (dB)
BER
Performance of DL for MIMO 4X1, 4X2 , 4X4 on Lognormal-Rayleigh channel & r = 7

 Η μεταβολι του λόγου ιςχφοσ r επιδρά με
διαφορετικό τρόπο ςτα BL και EL
 Από τθ ςφγκριςθ SL & DL αποδείχκθκε ότι θ τεχνικι
ESTC επιτυγχάνει το ςκοπό τθσ για αςφαλζςτερθ
μετάδοςθ τθσ πλθροφορίασ που περιζχει το BL
 Για φαςματικά ιςοδφναμα ςυςτιματα, τα ςυςτιματα
2Χ1,2Χ2 παρουςιάηουν καλφτερθ επίδοςθ με χριςθ
τθσ τεχνικισ Alamouti και ςτα δφο ςτρϊματα, ενϊ το
ςφςτθμα 4Χ4 παρουςιάηει καλφτερα αποτελζςματα
ςτθν περίπτωςθ μθ χρθςιμοποίθςθσ τθσ τεχνικισ
Alamouti ςτο EL
45

 Σα αποτελζςματα των ςυςτθμάτων 4Χ1,4Χ2 δεν ιταν
τα προςδοκϊμενα εξαιτίασ τθσ μθ επίτευξθσ πλιρθσ
ορκογωνοποίθςθσ του διαφλου
 Σο ςφςτθμα 4Χ4 είναι καλφτερο όλων των υπολοίπων
λόγω επίτευξθσ κερδϊν διαφοριςμοφ και διάταξθσ ςτθ
λιψθ
 Για δίαυλο με ιδιαίτερα δυςμενείσ ςυνκικεσ, τα
ςυςτιματα 4Χ1,4Χ2,4Χ4 αποτελοφν αποδοτικότερθ
λφςθ ςε ςφγκριςθ με τα ςυςτιματα 2Χ1,2Χ2.
Μειονζκτθμα αποτελοφν οι περιοριςμοί ωσ προσ το
κόςτοσ και το χϊρο
46

 Π. Γ. Κωττισ, Π-Δ. Μ. Αράπογλου, “Αςφρματεσ
Επικοινωνίεσ”, Εκδόςεισ Σηιόλα, 1θ ζκδοςθ, 2011
 Chih-Hung Kuo, C.-C. Jay Kuo, “An Embedded Space-
Time Coding (STC) Scheme for Broadcasting”, IEEE
Transactions on Broadcasting, vol. 53, no. 1,March
2007
 Μ. Ε. Θεολόγου, “Δίκτυα Κινθτϊν & Προςωπικϊν
Επικοινωνιϊν” , Εκδόςεισ Σηιόλα, 1θ ζκδοςθ, 2008
 A. Paulraj, R. Nabar, D. Gore, “Introduction to Space-
Time Wireless Communications”, Cambridge Univ.
Press, 2003
47

Mimo systems & multi layer coding

Recommended

Recommended

More Related Content

Featured

Featured (20)

Mimo systems & multi layer coding