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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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...

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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

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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

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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

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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)

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