Michał Wódczak, TRANSMISJA KOOPERACYJNA Z WYKORZYSTANIEM WIRTUALNYCH MATRYC ANTENOWYCHSesja: Sieci i systemy bezprzewodowe.Politechnika Poznańska

Pełen tekst

(1)www.pwt.et.put.poznan.pl. Michał Wódczak Instytut Elektroniki i Telekomunikacji Politechnika Poznańska ul. Piotrowo 3A, 60-965 Poznań mwodczak@et.put.poznan.pl. 2005. Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 8 - 9 grudnia 2005. TRANSMISJA KOOPERACYJNA Z WYKORZYSTANIEM WIRTUALNYCH MATRYC ANTENOWYCH. Streszczenie: W artykule przedstawiono dyskusję wybra nych metod organizacji transmisji kooperacyjnej (ang. co operative relaying) w mobilnych sieciach bezprzewodowych. Szczególną uwagę skupiono na metodzie wykorzystującej mechanizm wirtualnych matryc antenowych VAA (ang. Virtual Antenna Array) w połączeniu z rozproszoną wersją kodowania przestrzenno-czasowego. System tego typu pod dano analizie symulacyjnej i w kontekście uzyskanych wyników, nakreślono możliwości jego dalszej optymalizacji.. 1. WSTĘP W fazie projektowej nowej generacji mobilnych systemów bezprzewodowych, dąży się do redukcji mocy sygnału generowanego przez stacje bazowe, natomiast pojawiający się w następstwie spadek zasięgu, kompen suje się poprzez zastosowanie stacji przekaźnikowych. Rozwiązanie takie ma wiele zalet, począwszy od możli wości zwiększenia pojemności systemu, poprzez zmniej szenie poziomu zakłóceń, a na redukcji kosztów skoń czywszy [1]. Mowa tutaj oczywiście o kosztach, które należałoby ponieść w przypadku budowy sieci bazującej wyłącznie na w pełni wyposażonych, konwencjonal nych, stacjach bazowych. Wśród znanych koncepcji wykorzystania stacji przekaźnikowych [1], na szczególną uwagę zasługuje kodowana przestrzennie-czasowo transmisja kooperacyj na z wykorzystaniem wirtualnych matryc antenowych VAA [2]. Koncepcja ta opiera się na skoordynowanej retransmisji otrzymanego z węzła źródłowego sygnału przez grupę węzłów sąsiadujących, które tworzą w danym momencie wirtualną matrycę antenową. W kon sekwencji takiej koordynacji, wspomniana grupa wę złów, pełni rolę rozproszonej wersji klasycznego kodera przestrzenno-czasowego [3] i przesyła sygnał do węzła odbiorczego w sposób kooperacyjny, na przykład zgod nie z macierzami kodu blokowego, przytoczonymi w pu blikacji [4]. W artykule skupiono się na transmisji skła dającej się z dwóch przeskoków (ang. two-hop), należy jednak zaznaczyć, że istnieją również rozwiązania prze widujące możliwość transmisji kooperacyjnej wieloprzeskokowej (ang. multi-hop) [5]. Wybrane metody organizacji transmisji kooperacyj nej zostały opisane w paragrafie 2, natomiast analiza kodowanej przestrzennie-czasowo transmisji koopera cyjnej, wzbogacona o dyskusję możliwości dalszej optymalizacji, została zawarta w paragrafie 3. Wnioski. oraz plan dalszych prac zostały umieszczone w podsu mowaniu.. 2. METODY ORGANIZACJI TRANSMISJI KOOPERACYJNEJ W artykule [6] dokonano wielokryterialnego po działu metod organizacji transmisji kooperacyjnej, które nazwano protokołami. Na potrzeby niniejszej publikacji wydzielono dwie podstawowe grupy metod w postaci transmisji kooperacyjnej konwencjonalnej i transmisji kooperacyjnej adaptacyjnej typu dekoduj i przekaż (ang. decode and forward) oraz poszerzono wspomnianą kla syfikację o metodę transmisji kooperacyjnej z wykorzy staniem przytoczonej we wstępie techniki VAA [2], [5]. Metoda konwencjonalna została przedstawiona na rys. 1. W tym przypadku informacja nadana z węzła źró dłowego SN dociera zarówno do węzła docelowego DN, jak i do stacji przekaźnikowej RN. Stacja przekaźnikowa przeprowadza operację dekodowania i ponownego kodo wania, a następnie, w drugiej chwili czasowej, wysyła tak przetworzoną informację do węzła odbiorczego. Rozwiązanie to jest również znane pod nazwą L3DF (ang. Layer 3 Decode and Forward) [6].. SN. RN. DN. Rys. 1. Transmisja kooperacyjna metodą konwencjo nalną Rozszerzeniem protokołu L3DF jest przedstawiona na rys. 2. transmisja kooperacyjna metodą adaptacyjną typu dekoduj i przekaż, której jednym z przykładów jest protokół CAdDF (ang. Complex Adaptive Decode and Forward) [3]. W tym podejściu stacje przekaźnikowe RN kodują ponownie i przesyłają sygnał do węzła doce lowego DN wyłącznie wtedy, gdy operacja dekodowania. Prace zostały wykonane w ramach projektu WINNER, IST-2003-507581.. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 1/4.

(2) www.pwt.et.put.poznan.pl. sygnału, otrzymanego z węzła źródłowego SN w pierw szej chwili czasowej, została zakończona sukcesem. W rezultacie możliwe jest adaptacyjne zapobieganie propagacji ewentualnego błędu podczas „drugiego prze skoku”. Należy przy tym zaznaczyć, że w tej fazie trans misji stacje przekaźnikowe mogą przesyłać sygnał zgod nie z ustalonym schematem powtórzeń lub kodować go przestrzennie-czasowo [3].. RN SN. RN. DN. RN. 3. TRANSMISJA KOOPERACYJNA Z WY KORZYSTANIEM TECHNIKI VAA Transmisja kooperacyjna z wykorzystaniem wir tualnych matryc antenowych zakłada wykorzystanie roz proszonej wersji kodera przestrzenno-czasowego na dru gim i każdym kolejnym przeskoku. Rozproszone podej ście do transmisji przestrzenno-czasowej jest próbą prze niesienia funkcjonalności standardowego blokowego kodera przestrzenno-czasowego [3] na grupę węzłów mobilnych, z których każdy będzie dokonywał w tym samym czasie niezależnego przetwarzania sygnału, ode branego po pierwszym przeskoku, zgodnie z wyznaczo ną kolumną macierzy kodu (1). Powodzenie takiej opera cji wymaga oczywiście spełnienia ściśle określonych kryteriów synchronizacyjnych, jednak zagadnienie to wykracza poza zakres tematyki poruszanej w tym ar tykule. Na potrzeby tej publikacji przeprowadzono badania symulacyjne systemu dwu-przeskokowego, wykorzy stującego wirtualna matrycę antenową składającą się z dwóch stacji przekaźnikowych (rys. 4).. Rys. 2. Transmisja kooperacyjna metodą adaptacyjną typu dekoduj i przekaż (ang. adaptive decode and forward) Transmisja kooperacyjna z wykorzystaniem wir tualnych matryc antenowych VAA opiera się na założe niu, że pomiędzy węzłami nadawczym SN i odbiorczym DN znajduje się pewna liczba grup stacji przekaź nikowych RN, które tworzą wirtualne matryce antenowe (rys. 3). W tym przypadku faza transmisji bezpośredniej pomiędzy węzłem nadawczym i odbiorczym nie wystę puje, natomiast na każdym kolejnym przeskoku, oprócz pierwszego, sygnał podlega rozproszonemu kodowaniu przestrzenno-czasowemu [2].. RN. SN. RN. SN. RN. Rys. 4.. DN. Topologia symulowanej sieci. Wybrane stacje RN dokonują operacji rozproszonego kodowania przestrzenno-czasowego zgodnie z macierzą kodu blokowego G2 (1), przy założeniu idealnej syn chronizacji.  x G2 =  1∗  − x2. RN. x2  x1∗ . (1). RN. RN. RN. DN. Węzeł odbiorczy DN przeprowadza dekodowanie w oparciu o uogólnioną metrykę postaci (2) [4]: 2. 2. t =1. i =1. z = ∑ rt − ∑ hi sti. Rys. 3. Transmisja kooperacyjna z wykorzystaniem wirtualnej matrycy antenowej VAA W dalszej części artykułu główna uwaga zostanie sku piona właśnie na tej metodzie, przy czym przyjęte zosta nie założenie o ograniczeniu liczby przeskoków do dwóch.. 2. (2). gdzie sygnał odebrany rt (3) jest wyrażony jako suma sygnałów sti, nadanych przez poszczególne stacje prze kaźnikowe, z uwzględnieniem współczynników kanału hi oraz próbek szumu ηt, modelowanych przez zespolony proces gaussowski o zerowej wartości średniej i warian cji N0/2 na wymiar. 2. rt = ∑ hi sti + ηt. (3). i =1. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 2/4.

(3) www.pwt.et.put.poznan.pl. Symulacje przeprowadzono w kanale MIMO (ang. Mul tiple Input Multiple Output) typu blokowego, z płaskimi zanikami Rayleigh’a, przy czym współczynniki dla każ dego łącza radiowego, pomiędzy parą stacji, były wyli czane zgodnie ze zmodyfikowanymi i zoptymalizowany mi wzorami, podanymi w artykule [7]. Moc sygnału nadawanego przez każdą z dwóch stacji przekaź nikowych, tworzących wirtualną matrycę antenową, podlegała normalizacji, tak aby całkowita moc trans mitowana przez tę matrycę była zawsze równa jedności. Za każdym razem transmitowano 2 000 000 bitów przy zastosowaniu modulacji QPSK. Rezultaty uzyskane dla badanego systemu zostały przedstawione na rys. 5 w porównaniu z dwu-prze skokowym systemem odniesienia, w przypadku którego w transmisji pośredniczy tylko jedna stacja przekaź nikowa. W konsekwencji takiego założenia, matryca antenowa nie może zostać utworzona i kodowanie prze strzenno-czasowe w trakcie drugiego przeskoku nie jest przeprowadzane. Co więcej, sygnał nadany przez stację nadawczą dociera do stacji odbiorczej wyłącznie za po średnictwem stacji przekaźnikowej.. mu na obu łączach radiowych, prowadzących do stacji przekaźnikowych, które tworzą wirtualna matrycę ante nową (rys. 4), jest jednakowy i wynosi odpowiednio 10 dB dla pierwszej krzywej i 20 dB dla drugiej krzywej.. Rys. 6. Transmisja kooperacyjna z wykorzystaniem wirtualnej matrycy antenowej, gdy łącza na pierwszym przeskoku oferują SNR równy od powiednio 10 i 20 dB. Rys. 5. Transmisja kooperacyjna z wykorzystaniem wirtualnej matrycy antenowej W wyniku takich założeń możliwe jest oszacowanie zy sku wynikającego z zastosowania kodowanej przestrzen nie-czasowo transmisji kooperacyjnej z wykorzystaniem wirtualnej matrycy antenowej. Analizując przedstawione krzywe, zgodnie z oczekiwaniami, można zauważyć znaczący spadek bitowej stopy błędu wobec systemu od niesienia w zakresie wyższych wartości stosunku mocy sygnału do mocy szumu. Niestety, dla wartości bliskich zeru, krzywe zbiegają się niemalże w tym samym punk cie, co niewątpliwie ma związek z propagacją błędów, powstających w trakcie pierwszego przeskoku. Jedną z metod zaradzenia takiej sytuacji jest prze prowadzanie wstępnej selekcji węzłów, które będą brały udział w procesie transmisji kooperacyjnej. Na rys. 6 przedstawiono dwie dodatkowe krzywe uzyskane dla systemu badanego przy założeniu, że podczas pierw szego przeskoku, stosunek mocy sygnału do mocy szu. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. Założenie takie miało na celu szacunkowe spraw dzenie zachowania systemu równoważnego, który dys ponowałby dodatkową informacją, umożliwiającą do konanie wyboru stacji przekaźnikowych w taki sposób, aby prowadzące do nich łącza radiowe spełniały określo ne kryteria. Innymi słowy, w sposób dynamiczny, wy bierane byłyby te stacje przekaźnikowe, na łączach do których zagwarantowany byłby SNR nie gorszy niż 10 dB w pierwszym przypadku i odpowiednio 20 dB w dru gim przypadku. Teoretycznie wyniki te powinny być nie gorsze od krzywych przedstawionych na rys. 6, a dodat kowo można by uniknąć efektu nasycenia, który jest widoczny na obu krzywych. Poprawa bitowej stopy błę du w zakresie niskich wartości SNR wynika właśnie z przyjętego założenia odnośnie wartości stosunku mocy sygnału do mocy szumu. Dzięki temu założeniu, błędy w transmisji podczas pierwszego przeskoku zdarzają się odpowiednio rzadziej, a to pozwala na efektywne wy korzystanie zysku dywersyfikacji gwarantowanego przez rozproszony koder przestrzenno-czasowy. Należy za uważyć, że zysk ten jest teoretycznie równoważny zy skowi oferowanemu przez system wyjściowy, w którym nie poczyniono założeń odnośnie parametrów łączy pod czas pierwszego przeskoku, jednak tym razem dane wej ściowe rozproszonego kodera przestrzenno-czasowego są bardziej wiarygodne i w konsekwencji zysk ten jest widoczny, a wraz z nim następuje dalsza poprawa pracy całego systemu. Poprawa ta ma jednak swoje granice, objawiające się nasyceniem krzywych w okolicach, w których wynikająca ze sztywnych założeń odnośnie SNR bitowa stopa błędu staje się zbyt wysoka i koder roz proszony pracujący przy niższym stosunku sygnału do. 3/4.

(4) www.pwt.et.put.poznan.pl. szumu na łączach, tworzących drugi przeskok, nie jest w stanie uzyskać lepszych wyników. Należy jednak pamiętać, że celem tego ekspery mentu nie było uzyskanie poprawy funkcjonowania sys temu w całym zakresie SNR, a jedynie oszacowanie możliwości potencjalnego zysku wynikającego z wy korzystania dodatkowej informacji o stanie łączy w sieci bezprzewodowej. W związku z uzyskanymi rezultatami można sformułować tezę mówiącą w ogólności, że moż liwe jest zoptymalizowanie transmisji kooperacyjnej po przez właściwą preselekcję węzłów tworzących wirtual ną matrycę antenową. Tezę tę można zweryfikować poprzez wykorzysta nie dodatkowej informacji, którą może dostarczyć od powiednio dobrany protokół warstwy sieciowej. Protokoły tego typu dla mobilnych sieci bezprzewodo wych typu ad-hoc są skonstruowane w taki sposób, aby w obliczu zmieniającej się dynamicznie topologii sieci, poszczególne węzły dysponowały możliwie aktualną in formacją odnośnie swojego sąsiedztwa, co umożliwia im aktualizację tablic routingu. Aktualnie autor prowadzi prace nad rozwiązaniem tego typu, skupiające się na łącznej optymalizacji protokołów warstwy łącza danych i warstwy sieciowej. Prace te zakładają wykorzystanie protokołu OLSR (ang. Optimized Link State Routing protocol) należącego do grupy protokołów proaktywnych, to znaczy takich, które w sposób periodyczny aktualizują informację o stanie łą czy i sąsiedztwa. Informacja ta, wraz z wybranymi we wnętrznymi mechanizmami tego protokołu, jest wy korzystywana właśnie w celu optymalnej preselekcji wę złów tworzących wirtualną matrycę antenową. W kolej nym etapie prac zostaną dodatkowo wykorzystane wyniki uzyskane w artykule [9], które można odnieść do optymalizacji transmisji podczas drugiego przeskoku.. [3]. [4]. [5]. [6]. [7]. [8]. [9]. J. N. Laneman, G. W. Wornell, “Distributed SpaceTime Coded Protocols for Exploiting Cooperative Diversity in Wireless Networks”, IEEE Transac tions On Information Theory, Vol. 49, No. 10, Oct. 2003, str. 2415-2425 V. Tarokh, H. Jafarhani, A. R. Calderbank, “SpaceTime Block Coding for Wireless Communications: Performance Results”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 17, No. 3, str. 451460, March 1999 M. Dohler, A. Gkelias, H. Aghvami, “A Resource Allocation Strategy for Distributed MIMO MultiHop Communication Systems”, IEEE Com munications Letters, vol. 8, February 2004 E. Zimmermann, P. Herhold, G. Fettweiss, “On the Performance of Cooperative Relaying Protocols in Wireless Networks”, IEEE INMIC 28-31 December 2001, str. 62-68 Y. R. Zheng, C. Xiao, “Simulation Models with Correct Statistical Properties for Rayleigh Fading Channels”, IEEE Transactions on Communications, Vol. 51, No. 6, str. 920-928, June 2003 Jacquet, P. Mühlethaler, T. Clausen, A. Laouiti, A. Qayyum, L. Viennot, “Optimized Link State Routing Protocol for Ad Hoc Networks”, IEEE Transactions on Communications, Vol. 47, No. 2, str. 199-207, February 1999 M. Wódczak, “On the Adaptive Approach to Antenna Selection and Space-Time Coding in Con text of the Relay Based Mobile Ad-hoc Networks”, XI National Symposium of Radio Science URSI 2005, 7-8 April 2005. 4. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono wybrane metody trans misji kooperacyjnej, przy czym szczególny nacisk poło żono na kodowaną przestrzennie-czasowo transmisję kooperacyjną z wykorzystaniem wirtualnych matryc antenowych. W kontekście uzyskanych rezultatów symulacyjnych, przeprowadzono dyskusję dotyczącą możliwości optymalizacji problemu doboru węzłów two rzących wirtualną matrycę antenową i sformułowano od powiednią tezę. W konkluzji nakreślono proponowaną metodę weryfikacji tej tezy oraz towarzyszący jej plan dalszych prac. SPIS LITERATURY [1] R. Pabst i inni, “Relay-Based Deployment Con cepts for Wireless and Mobile Broadband Radio”, IEEE Communications Magazine, vol. 42, no.9, str. 80-89, October 2004 [2] M. Dohler, F. Said, H. Aghvami, “Higher Order Space-Time Block Codes for Virtual Antenna Ar rays”, The 10th International Conference on Telecommunications 2003, 23 February - 1 March, str. 198-203, vol. 1. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 4/4.

(5)