Post on 30-Aug-2019
transcript
MIMO-Verfahren für OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.1Chair ofCommunication Systems
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
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.2Chair ofCommunication Systems
Motivation
Aktuell: Das Mehrträger-Übertragungsverfahren CP-OFDM (z. B. in WLAN)
• Nachteil: Zyklische Wiederholung und geringe Seitenbandunterdrückung
Alternative: Das Filterbank-basierte Mehrträger-ÜbertragungsverfahrenOQAM-OFDM
• Vorteil: Erhöhte spektrale Effizienz und hohe Seitenbandunterdrückung
• Nachteil: höhere Komplexität
Vergleich der Leistungsfähigkeit und Komplexität verschiedenerMIMO-Verfahren
• Bestehende MIMO-Algorithmen für räumliche Diversität und Raummultiplex wurden für
CP-OFDM analysiert und für OQAM-OFDM angepasst
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.3Chair ofCommunication Systems
Aufbau einer SISO-OQAM-OFDM-TMUX-Filterbank
Grundlagen
CP-OFDM
Mehrträgerverfahren mit Rechteck-förmigen Impulsformungsfilter mit zyklischer
Wiederholung von Ng 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
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.4Chair ofCommunication Systems
Aufbau einer SISO-OQAM-OFDM-TMUX-Filterbank
OQAM-Modulation
cm,n
ejφm,n
am,n
cm+1,n
ejφm+1,n
z−1ℑ{.}
ℜ{.} ↑ 2
↑ 2
z−1ℜ{.}
ℑ{.} ↑ 2
↑ 2
am,n
am+1,n
am+1,n
OQAM-Vorverarbeitung
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.5Chair ofCommunication Systems
Aufbau einer SISO-OQAM-OFDM-TMUX-Filterbank
IDFT-Polyphasensynthesefilterbank
a0,n
a1,n
a2M−1,n
↑ M
↑ M
↑ M
γS,1
γS,2M−1
γS,0
E0(z2)
E1(z2)
E2M−1(z2)
IDFT
z−1
s[k]
z−1
z−1
z−1
z−1
O
Q
A
M
-
V
o
r
v
e
r
a
r
b
e
i
t
u
n
g
am,n
↑ M
γS,m
Em(z2)
c0,n
c1,n
cm,n
c2M−1,n
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.6Chair ofCommunication Systems
Aufbau einer SISO-OQAM-OFDM-TMUX-Filterbank
DFT-Polyphasenanalysefilterbank
a0,n−α
a1,n−α
a2M−1,n−α
↓ M
↓ M
↓ Ms[k] z−βs[k − β]
z−1
z−1
z−1
G2M−1(z2)
G1(z2)
G0(z2)
γA,1
γA,0
γA,2M−1
x1
x2M−1
x0
O
Q
A
M
-
N
a
c
h
v
e
r
a
r
b
e
i
t
u
n
g
DFT
↓ M Gm(z2)xm
z−1
z−1
am,n−α
γA,m
ℜ{.}
ℜ{.}
ℜ{.}
ℜ{.}
c0,n−α
c1,n−α
cm,n−α
c2M−1,n−α
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.7Chair ofCommunication Systems
Aufbau einer SISO-OQAM-OFDM-TMUX-Filterbank
FIR-Prototypfilter mit der Länge Lp = KM + 1 = 257
← A = -46 dB
|Pno
rm(f)|
[dB
]
Normierte Frequenz f →
pno
rm[k]
k→0 0.01 0.02 0.030 64 128 192 256
−100
−90
−80
−70
−60
−50
−40
−30
−20
−10
0
−0.04
−0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.8Chair ofCommunication Systems
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
Zeit
Frequenz
nn− 1 n+ 1
m
m+ 1
m− 1
am,n
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.9Chair ofCommunication Systems
Aufbau der MIMO-Übertragungssysteme
MIMO-Kanalmodell
Mt ×Mr
RxTx
Kanalmatrix für den zeitinvarianten Kanal:
H(m) =
h(m)1,1 h
(m)1,2 · · · h
(m)1,Mt
h(m)2,1 h
(m)2,2
...... . . .
h(m)Mr,1
. . . h(m)Mr,Mt
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.10Chair ofCommunication Systems
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)
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.11Chair ofCommunication Systems
Aufbau der MIMO-Übertragungssysteme
Simulationsszenario
Simulation der verschiedenen Ansätze in MATLAB
Orientierung am WLAN Standard 802.11
→ Modell B für ein Inhausszenario mit großen Räumen
Doppler-Frequenz fD 0 Hz Unterträger M 64
Modulationsverfahren 4− QAM Bandbreite f 20 MHz
Ng 16 ∆f = f
M312,5 KHz
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.12Chair ofCommunication Systems
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:
SNRCP-OFDM =σ
2r (M + Ng)
qσ20M
SNROQAM-OFDM =σ
2r
qσ20
M− QAM : M = 2q
Mit M = 64 und Ng = 16 ergibt sich eine Verschiebung von ungefähr 2,23 dB
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.13Chair ofCommunication Systems
MIMO mit räumlicher Diversität
Allgemein
Erhöhung des Diversitätsgewinns durch entweder gleiche oder fast gleiche
Datenströme auf jedem Sender
Anordnung: 2×Mr
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
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.14Chair ofCommunication Systems
MIMO mit räumlicher Diversität
Maximum Ratio Combining
CP-OFDM
x = HHeffr =
1√2||H||2Fx + HH
effz
||H||2F = |h1,1|2 + |h2,1|2 + · · · + |hMr,1|2 + |h1,2|2 + |h2,2|2 + · · · + |hMr,2|2
OQAM-OFDM
x =ℜ{h · r}
=1√2· hQOAM · x + ℜ{h · z}
hQOAM = |h1,1|2 + 2 · ℜ{h∗1,1h1,2} + |h1,2|2 + · · · + |hMr,1|2 + 2 · ℜ{h∗Mr,1hMr,2} + |hMr,2|2
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.15Chair ofCommunication Systems
MIMO mit räumlicher Diversität
Leistungsfähigkeit
CP MRC mit Korr.
OQAM MRC
Bit
fehl
erw
ahrs
chei
nlic
hkei
tSignal- zu Rauschverhältnis [dB]
MIMO 2× 4 Anordnung
CP MRC mit Korr.
OQAM MRC
Bit
fehl
erw
ahrs
chei
nlic
hkei
t
Signal- zu Rauschverhältnis [dB]
MISO 2× 1 Anordnung
0 2 4 6 8 10 12 140 2 4 6 8 10 12 14
10−6
10−4
10−2
10−3
10−2
10−1
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.16Chair ofCommunication Systems
MIMO mit räumlicher Diversität
Komplexität
CP MRC, Mr = 4CP Zero-ForcingOQAM MRC, Mr = 4OQAM Zero-Forcing
Kom
plex
itätC
(Anz
ahl
reel
ler
Mul
tipl
ikat
ione
n)
Anzahl Unterträger 2M →0 64 512 1024 2048
101
102
103
104
105
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.17Chair ofCommunication Systems
MIMO mit Raummultiplex
Allgemein
Erhöhung der Datenrate durch unabhängige Datenströme auf jedem Sender
Anordnung: 2×Mr mit Mr ≥ Mt
Ziel: Untersuchung von MMSE-Schätzern und ML-Entscheidern für CP- und
OQAM-OFDM
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.18Chair ofCommunication Systems
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 ≤ f1, f2 ≤ 2,43) führt zu extrem hohen Signalaufwand
→ Eliminierung der intrinischen Interferenz vor dem ML-Entscheider
y = r− jHf ≈ H(
x + j(f− f))
+ z ≈ H (x + jǫ) + z
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.19Chair ofCommunication Systems
MIMO mit Raummultiplex
Rec-ML-Entscheider nach Zakaria
FBMC
FBMC
r(m,n)
ℑ{.}
Interferenz-
elimination
MMSE-
Schatzer
x(m,n)
f(m,n)
ML-
Entscheider
y(m,n)
Interferenz-
berechnung
I(m,n)
x(m,n)
ML
Hauptstufe
Datenverarbeitung
R1
RMr
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.20Chair ofCommunication Systems
MIMO mit Raummultiplex
Rec-ML-Entscheider nach PHYDYAS
FBMC
FBMC
r(m,n)
x(m,n)
ML-
Entscheider
y(m,n)
I(m,n)
x(m,n)
ML,1
Stufe 1
M
M
S
E
Interferenz-
berechnung
Interferenz-
elimination
Datenverarbeitung
R1
RMr
Stufe 2,3...
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.21Chair ofCommunication Systems
MIMO mit Raummultiplex
Leistungsfähigkeit
CP ML mit Korrektur
CP MMSE mit Korrektur
OQAM Rec-ML Zakaria
OQAM Rec-ML PHYDYAS
OQAM MMSE
Bit
fehl
erw
ahrs
chei
nlic
hkei
t
Signal- zu Rauschverhältnis [dB]
0 2 4 6 8 10 12 14
10−1
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.22Chair ofCommunication Systems
MIMO mit Raummultiplex
Komplexität
CP ML, Mt = Mr = 2CP MMSE, Mt = Mr = 2OQAM Phydyas, Mt = Mr = 2OQAM Zakaria, Mt = Mr = 2OQAM MMSE, Mt = Mr = 2
Kom
plex
itätC
(Anz
ahl
reel
ler
Mul
tipl
ikat
ione
n)
Anzahl Unterträger 2M →0 64 512 1024 2048
103
104
105
106
107
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.23Chair ofCommunication Systems
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
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.24Chair ofCommunication Systems
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)
MIMO-Verfahren für
OQAM-OFDM-Systeme
Niklas Schulz
p.25Chair ofCommunication Systems