Mimo systems & multi layer coding

Θεόδωρος Ντούσκας

Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Μηχανικός Υπολογιστών

ΕΜΠ

ΑΤΡΜΑΣΑ ΤΣΗΜΑΣΑ ΚΙΝΗΣΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ & ΕΦΑΡΜΟΓΕ

ΤΣΗΜΑΣΑ MIMO & ΧΩΡΟΧΡΟΝΙΚΗ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΗ

ΣΕΧΝΙΚΗ ΠΟΛΤΕΠΙΠΕΔΗ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΗ

ΤΛΟΠΟΙΗΗ 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-Hπου 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 MultiplexingGain, SMG) που αφορά τθν αφξθςθ του ρυκμοφμετάδοςθσ αποςτζλλοντασ διαφορετικά ςφμβολαταυτόχρονα από τισ κεραίεσ εκπομπισ

Κζρδοσ Διάταξησ (Array Gain, AG) που επιτυγχάνεταικυρίωσ ςτθν πλευρά τθσ λιψθσ αξιοποιϊντασ κάποιοςχιμα χωροχρονικισ κωδικοποίθςθσ

Διαφορικό Κζρδοσ (Diversity Gain, DG) το οποίοκακορίηεται από τθν ανεξαρτθςία των διαδρομϊν τουςιματοσ με μζγιςτθ τιμι ίςθ προσ το γινόμενο πλήθοσκεραιϊν 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 εκπομπισΜ: Πλικοσ κεραιϊν λιψθσ

Γενικότερα:

19

Επίτευξθ Διαφορικοφ Kζρδουσ Σεχνικι Alamouti

Επίτευξθ Kζρδουσ Χωρικισ Πολυπλεξίασ

Μζχρι πρόςφατα χρθςιμοποιόταν μόνο ςε ψθφιακάπρότυπα ςυμπίεςθσ βίντεο & εικόνασ (MPEG-4, JPEG)

Επεκτάκθκε θ χριςθ τθσ ςε broadcast & multicastεφαρμογζσ (π.χ. DVB)

Βαςίηεται ςτθ μετάδοςθ τθσ πλθροφορίασ ςεςτρϊματα (layers) ςθμαντικότθτασ

Η απολφτωσ απαραίτθτθ πλθροφορία αποςτζλλεταιμζςω του βαςικοφ ςτρϊματοσ BL και θ υπόλοιπθ μζςωτου βελτιωτικοφ ςτρϊματοσ EL ςχθματίηοντασ τθΔιπλι 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

Quadra

ture

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

Quadra

ture

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

Quadra

ture

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 Πικανοφάνειασh: υνιςτϊςα Διαφλουn: υνιςτϊςα κορφβου Gauss

28

Αρχι λειτουργίασ τθσ ESTC

29

-5 0 5 10 15 20 25 3010

-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

BE

RBasic 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 3010

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

BE

REnhancement 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 2510

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

BE

RBL Performance for MIMO 2X2 on Rayleigh channel

BL 2-Qam Alamouti 2X2 for r=2




33

-5 0 5 10 15 20 2510

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

BE

REL Performance for MIMO 2X2 on Rayleigh channel

EL 4-Qam Alamouti 2X2 for r=2




35

-5 0 5 10 15 20 2510

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

BE

R

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 2510

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

BE

R

Performance of DL for MIMO 2X1, 2X2 on Rice channel & r = 7





38

-5 0 5 10 15 20 2510

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

BE

R

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 3010

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

BE

R

Performance of DL for MIMO 4X1, 4X2 , 4X4 on Rayleigh channel & r = 6







40

-5 0 5 10 15 20 25 3010

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

BE

R

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

100

SNR (dB)

BE

R








43

-5 0 5 10 15 20 25 3010

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

BE

R








44

-5 0 5 10 15 20 25 3010

-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

BE

R

Performance of DL for MIMO 4X1, 4X2 , 4X4 on Lognormal-Rayleigh channel & r = 7







Η μεταβολι του λόγου ιςχφοσ r επιδρά μεδιαφορετικό τρόπο ςτα BL και EL

Από τθ ςφγκριςθ SL & DL αποδείχκθκε ότι θ τεχνικιESTC επιτυγχάνει το ςκοπό τθσ για αςφαλζςτερθμετάδοςθ τθσ πλθροφορίασ που περιζχει το BL

Για φαςματικά ιςοδφναμα ςυςτιματα, τα ςυςτιματα2Χ1,2Χ2 παρουςιάηουν καλφτερθ επίδοςθ με χριςθτθσ τεχνικισ Alamouti και ςτα δφο ςτρϊματα, ενϊ τοςφςτθμα 4Χ4 παρουςιάηει καλφτερα αποτελζςματαςτθν περίπτωςθ μθ χρθςιμοποίθςθσ τθσ τεχνικισAlamouti ςτο EL

45

Σα αποτελζςματα των ςυςτθμάτων 4Χ1,4Χ2 δεν ιταντα προςδοκϊμενα εξαιτίασ τθσ μθ επίτευξθσ πλιρθσορκογωνοποίθςθσ του διαφλου

Σο ςφςτθμα 4Χ4 είναι καλφτερο όλων των υπολοίπωνλόγω επίτευξθσ κερδϊν διαφοριςμοφ και διάταξθσ ςτθλιψθ

Για δίαυλο με ιδιαίτερα δυςμενείσ ςυνκικεσ, ταςυςτιματα 4Χ1,4Χ2,4Χ4 αποτελοφν αποδοτικότερθλφςθ ςε ςφγκριςθ με τα ςυςτιματα 2Χ1,2Χ2.Μειονζκτθμα αποτελοφν οι περιοριςμοί ωσ προσ τοκόςτοσ 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

Technology

Transcript of Mimo systems & multi layer coding