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3.7.1 802.11n 通道模型

TGn Sync 提供了 A, B, C, D, E, F,六種通道模型供 802.11n 系統模擬使用,而 我們只使用通道 B(NLOS:non-line-of-sight):距離 6m,通道 D(NLOS):距 離 11m,通道 D(NLOS):距離 21m,來作為系統的通道模擬環境,較詳細的通 道特性如表 3-2 和表 3-3 所示。其中,在 line-of-sight(LOS)的情形下,K-factor

只會對應到第一根 tap,而 K-factor = -∞則對應到其它的 tap。另外,參數d

BP

則 稱為臨界距離(breaking point distance),若通道模型中,傳送端與接收端之間的 距離小於d ,則為

BP

LOS 通道;若傳送端與接收端之間的距離大於d ,則為

BP

NLOS 通道。

Model

Condition K-factor (dB) RMS delay spread (ns)

# of clusters

B

LOS/NLOS 0 / -∞ 15 2

D

LOS/NLOS 3 / -∞ 50 3

E

LOS/NLOS 6 / -∞ 100 4

表 3-2 通道模型 LOS/NLOS 參數

Model

d

BP

(m) Slope before d

BP

Slope after d

BP

Shadow fading std.

dev. (dB) before d

BP

(LOS)

Shadow fading std.

dev. (dB)

IEEE 802.16e 系統的規格說明上並未提供模擬使用之通道模型,在此我們使 用了 3GPP 所提供的通道模型,以作為模擬使用。由於 3G 系統的通道模型環境,

是定義在無線都會型區域(wireless metropolitan area)中,且可支援定點(

fixed

) 與行動(mobile)無線多重路徑(wireless multipath fading)通道,故此一通道模 型環境與 IEEE 802.16e 系統之操作的環境十分相似,可使用於 IEEE 802.16e 系 統的模擬上。其中,3GPP 之通道模型有三種形式:

1. Suburban macro-cell:cell 涵蓋範圍為 1~6Km,BS(base station)端天線置 於高於建築物處,範圍為 10m 至 80m,平均高度為 32m。SS(subscriber station)

端移動速度介於 0~250 Km/hr。

2. Urban macro-cell:cell 涵蓋範圍為 1~6Km,BS 端天線置於高於建築物處,

範圍為 10m 至 80m,平均高度為 32m。SS 端移動速度介於 0~250 Km/hr。

Urban macro-cell 在上述之環境與 Suburban macro-cell 之環境相近,但在其 它部份可能與 Suburban macro-cell 之環境略有不同。

3. Urban micro-cell:BS 與 SS 之間的距離約為 1Km,cell 涵蓋範圍為 0.3~

0.5Km,BS 端天線置於建築物之上,平均高度為 12.5m。SS 端移動速度介 於 0~120 Km/hr。

而我們是選用 Urban macro-cell 的通道模型,作為我們模擬測試的通道環境。

3.8 模擬結果

3.8.1 802.11n 系統模擬結果

3.8.1 的模擬結果是使用本章所提到的 MMSE 偵測及軟性反對映來對接收訊 號進行偵測與軟性輸出的計算,並在依據 802.11n 規格說明所建立的 2 2× 、4 4× 通道 B、D、E(NLOS)上測試所得之結果。其中的 LDPC Codes 解碼器,則是 使用第 2 章所介紹的演算法,包括 Sum-product 演算法(SPA)、Normalized BP-based 演算法(NBP)、Normalized APP-based 演算法(NAPP)和 Layered Normalized BP-based 演算法(LNBP)四種不同的演算法。而模擬中所選用的

Modulation-Coding Scheme(MCS)則有2 根傳送天線的 MCS11、MCS13、

MCS15,和4 根傳送天線的 MCS27、MCS28,詳細的 MCS11、MCS13、MCS15、

MCS27、MCS28 規格如表 3-4 所示。

表 3-4 802.11n 之 Modulation-Coding Scheme 表

圖 3-7 到圖 3-12 都是使用 Sum-product 演算法,在估計通道(estimation channel)並假設完美同步(perfect synchronization)下的模擬結果,其中我們設 定最大遞迴次數為

50

,也就是說當遞迴次數為

50

時,即使

H V p T ≠ 0

仍強制將解 碼所得之結果送出。

圖 3-13 到圖 3-30 分別是使用 Normalized BP-based 演算法(圖 3-13 到圖 3-18)、Normalized APP-based 演算法(圖 3-19 到圖 3-24)和 Layered Normalized BP-based 演算法(圖 3-25 到圖 3-30),在估計通道(estimation channel)並包含 部份非理想效應,最大遞迴次數為

15

次下的模擬結果。其中非理想效應有載波 頻率偏移(carrier frequency offset,CFO)、取樣頻率偏移(sample frequency offset,

SFO)、直流偏移(DC offset)、I-Q 不平衡(I-Q imbalance)、相位雜訊(phase noise)、非線性放大失真(nonlinear amplifier distortion)。

由圖 3-13 到圖 3-30 中,我們可看出使用 Layered Normalized BP-based 演算 法解碼的效能較好,位元錯誤率較低,其次是 Normalized BP-based 演算法,最 差的則是 Normalized APP-based 演算法。但從運算複雜度的觀點上來看,

Normalized APP-based 演算法的運算復雜度卻是最低的,而 Normalized BP-based 演算法和 Layered Normalized BP-based 演算法兩者的運算復雜度則大致上相同。

雖然 Layered Normalized BP-based 演算法因為其分層解碼的架構破壞了其平行處 理結構,但其收斂速度卻幾乎是 Normalized BP-based 演算法的兩倍,舉例來說:

如果 Normalized BP-based 演算法最大遞迴次數為N ,那麼

ite

Layered Normalized BP-based 演算法的最大遞迴次數大約只要

2 N

ite

次即可達到相近的位元錯誤率。另 外,也因為此分層解碼的架構使得 Layered Normalized BP-based 演算法在和 Normalized APP-based 演算法一樣,在記憶體的需求上只需 Normalized BP-based 演算法的一半,在晶片設計的繞線(routing)上也更為容易。

15 20 25 30 35 40 45 10 -3

10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS11 MMSE chB SPA MCS13 MMSE chB SPA MCS15 MMSE chB SPA

圖 3-7 SPA 解碼在 2×2 通道 B 下模擬結果

26 28 30 32 34 36 38 40 42

10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS27 MMSE chB SPA MCS28 MMSE chB SPA

圖 3-8 SPA 解碼在 4×4 通道 B 下模擬結果

15 20 25 30 35 40 10 -3

10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS11 MMSE chD SPA MCS13 MMSE chD SPA MCS15 MMSE chD SPA

圖 3-9 SPA 解碼在 2×2 通道 D 下模擬結果

20 22 24 26 28 30 32 34

10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS27 MMSE chD SPA MCS28 MMSE chD SPA

圖 3-10 SPA 解碼在 4×4 通道 D 下模擬結果

15 20 25 30 35 40 10 -3

10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS11 MMSE chE SPA MCS13 MMSE chE SPA MCS15 MMSE chE SPA

圖 3-11 SPA 解碼在 2×2 通道 E 下模擬結果

20 22 24 26 28 30 32 34 36

10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS27 MMSE chE SPA MCS28 MMSE chE SPA

圖 3-12 SPA 解碼在 4×4 通道 E 下模擬結果

15 20 25 30 35 40 45 10 -3

10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS11 MMSE chB NBP MCS13 MMSE chB NBP MCS15 MMSE chB NBP

圖 3-13 NBP 解碼在 2×2 通道 B 下模擬結果

26 28 30 32 34 36 38 40 42

10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS27 MMSE chB NBP MCS28 MMSE chB NBP

圖 3-14 NBP 解碼在 4×4 通道 B 下模擬結果

15 20 25 30 35 40 10 -3

10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS11 MMSE chD NBP MCS13 MMSE chD NBP MCS15 MMSE chD NBP

圖 3-15 NBP 解碼在 2×2 通道 D 下模擬結果

20 22 24 26 28 30 32 34

10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS27 MMSE chD NBP MCS28 MMSE chD NBP

圖 3-16 NBP 解碼在 4×4 通道 D 下模擬結果

15 20 25 30 35 40 10 -3

10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS11 MMSE chE NBP MCS13 MMSE chE NBP MCS15 MMSE chE NBP

圖 3-17 NBP 解碼在 2×2 通道 E 下模擬結果

20 22 24 26 28 30 32 34 36

10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS27 MMSE chE NBP MCS28 MMSE chE NBP

圖 3-18 NBP 解碼在 4×4 通道 E 下模擬結果

15 20 25 30 35 40 45 10 -3

10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS11 MMSE chB NAPP MCS13 MMSE chB NAPP MCS15 MMSE chB NAPP

圖 3-19 NAPP 解碼在 2×2 通道 B 下模擬結果

26 28 30 32 34 36 38 40 42

10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS27 MMSE chB NAPP MCS28 MMSE chB NAPP

圖 3-20 NAPP 解碼在 4×4 通道 B 下模擬結果

15 20 25 30 35 40 10 -3

10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS11 MMSE chD NAPP MCS13 MMSE chD NAPP MCS15 MMSE chD NAPP

圖 3-21 NAPP 解碼在 2×2 通道 D 下模擬結果

20 22 24 26 28 30 32 34 36

10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS27 MMSE chD NAPP MCS28 MMSE chD NAPP

圖 3-22 NAPP 解碼在 4×4 通道 D 下模擬結果

15 20 25 30 35 40 10 -3

10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS11 MMSE chE NAPP MCS13 MMSE chE NAPP MCS15 MMSE chE NAPP

圖 3-23 NAPP 解碼在 2×2 通道 E 下模擬結果

20 22 24 26 28 30 32 34 36

10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS27 MMSE chE NAPP MCS28 MMSE chE NAPP

圖 3-24 NAPP 解碼在 4×4 通道 E 下模擬結果

15 20 25 30 35 40 45 10 -3

10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS11 MMSE chB LNBP MCS13 MMSE chB LNBP MCS15 MMSE chB LNBP

圖 3-25 LNBP 解碼在 2×2 通道 B 下模擬結果

26 28 30 32 34 36 38 40 42

10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS27 MMSE chB LNBP MCS28 MMSE chB LNBP

圖 3-26 LNBP 解碼在 4×4 通道 B 下模擬結果

15 20 25 30 35 40 10 -3

10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS11 MMSE chD LNBP MCS13 MMSE chD LNBP MCS15 MMSE chD LNBP

圖 3-27 LNBP 解碼在 2×2 通道 D 下模擬結果

20 22 24 26 28 30 32 34

10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS27 MMSE chD LNBP MCS28 MMSE chD LNBP

圖 3-28 LNBP 解碼在 4×4 通道 D 下模擬結果

15 20 25 30 35 40 10 -3

10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS11 MMSE chE LNBP MCS13 MMSE chE LNBP MCS15 MMSE chE LNBP

圖 3-29 LNBP 解碼在 2×2 通道 E 下模擬結果

20 22 24 26 28 30 32 34 36

10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

pa c k et err o r rat e

MCS27 MMSE chE LNBP MCS28 MMSE chE LNBP

圖 3-30 LNBP 解碼在 4×4 通道 E 下模擬結果

3.8.2 802.16e 系統模擬結果

3.8.2 的模擬結果是使用本章所提到的 MMSE 偵測及軟性反對映來對接收訊 號進行偵測與軟性輸出的計算,並在 3GPP 所提供的通道上測試所得之結果。其 中的編碼器是使用碼率

1/ 2

、碼字長度

1152

576

位元的 LDPC Codes,而解碼 器,亦是使用第 2 章所介紹的演算法,包括 Normalized BP-based 演算法(NBP)、 Normalized APP-based 演算法(NAPP)和 Layered Normalized BP-based 演算法

(LNBP)三種不同的演算法,並設定最大遞迴次數為

15

次。

圖 3-31 到圖 3-33 為 QPSK 調變下的模擬結果,圖 3-34 到圖 3-36 為 16QAM 調變下的模擬結果,而圖 3-37 到圖 3-39 則為 64QAM 調變下的模擬結果。其中,

圖 3-31、圖 3-34、和圖 3-37 為理想通道(perfect channel)下的模擬結果;圖 3-32、

圖 3-35、和圖 3-38 為使用估計通道(estimation channel)下的模擬結果,我們以 ec 來表示;而圖 3-33、圖 3-36、和圖 3-39 則為使用估計通道並加上載波頻率偏 移(carrier frequency offset,CFO)下的模擬結果,我們以 ec cfo 來表示。最後,

為了方便觀察,我們將使用相同 LDPC Codes 解碼演算法的模擬結果放置於同一 張圖上比較,圖 3-40 為使用 Normalized BP-based 演算法的模擬結果,圖 3-41 為 使用 Normalized APP-based 演算法的模擬結果,圖 3-42 則為使用 Layered Normalized BP-based 演算法的模擬結果。

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 10 -7

10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2

SNR

b it err o r rat e

NBP QPSK NAPP QPSK LNBP QPSK

圖 3-31 802.16e 系統在 QPSK 調變、理想通道下模擬結果

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8

10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2

SNR

b it err o r rat e

NBP QPSK ec NAPP QPSK ec LNBP QPSK ec

圖 3-32 802.16e 系統在 QPSK 調變、估計通道下模擬結果

3 4 5 6 7 8 9 10 -7

10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2

SNR

b it err o r rat e

NBP QPSK ec cfo NAPP QPSK ec cfo LNBP QPSK ec cfo

圖 3-33 802.16e 系統在 QPSK 調變、估計通道、加入 CFO 效應下模擬結果

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1

SNR

b it err o r rat e

NBP 16QAM NAPP 16QAM LNBP 16QAM

圖 3-34 802.16e 系統在 16QAM 調變、理想通道下模擬結果

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 10 -8

10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1

SNR

b it err o r rat e

NBP 16QAM ec NAPP 16QAM ec LNBP 16QAM ec

圖 3-35 802.16e 系統在 16QAM 調變、估計通道下模擬結果

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1

SNR

b it err o r rat e

NBP 16QAM ec cfo NAPP 16QAM ec cfo LNBP 16QAM ec cfo

圖 3-36 802.16e 系統在 16QAM 調變、估計通道、加入 CFO 效應下模擬結果

4 6 8 10 12 14 16 18 10 -7

10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

b it err o r rat e

NBP 64QAM NAPP 64QAM LNBP 64QAM

圖 3-37 802.16e 系統在 64QAM 調變、理想通道下模擬結果

4 6 8 10 12 14 16 18 20

10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0

SNR

b it err o r rat e

NBP 64QAM ec NAPP 64QAM ec LNBP 64QAM ec

圖 3-38 802.16e 系統在 64QAM 調變、估計通道下模擬結果

4 6 8 10 12 14 16 18 20

b it err o r rat e

NBP 64QAM ec cfo NAPP 64QAM ec cfo LNBP 64QAM ec cfo

圖 3-39 802.16e 系統在 64QAM 調變、估計通道、加入 CFO 效應下模擬結果

b it err o r rat e

NBP QPSK NBP 16QAM NBP 64QAM NBP QPSK ec NBP 16QAM ec NBP 64QAM ec NBP QPSK ec cfo NBP 16QAM ec cfo NBP 64QAM ec cfo

圖 3-40 NBP 解碼在 802.16e 系統下模擬結果

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

b it err o r rat e

NAPP QPSK NAPP 16QAM NAPP 64QAM NAPP QPSK ec NAPP 16QAM ec NAPP 64QAM ec NAPP QPSK ec cfo NAPP 16QAM ec cfo NAPP 64QAM ec cfo

圖 3-41 NAPP 解碼在 802.16e 系統下模擬結果

b it err o r rat e

LNBP QPSK LNBP 16QAM LNBP 64QAM LNBP QPSK ec LNBP 16QAM ec LNBP 64QAM ec LNBP QPSK ec cfo LNBP 16QAM ec cfo LNBP 64QAM ec cfo

圖 3-42 LNBP 解碼在 802.16e 系統下模擬結果

第4章 最佳 MIMO 系統偵測

在上一章,我們使用 MMSE 做為 MIMO 系統之偵測器(detector),並將所 偵測到的訊號透過軟性反對映來獲得軟性輸出,再將此軟性輸出送入 LDPC Codes 解碼器進行解碼。雖然使用此一方式來做為接收機的設計雖然架構簡單易 於實現,然而由

( 3.26 )

式:

, , , , ,

eff eff

T T T

i k i i k i k i j i k j k i k

H N

Z = w h s + w h s + w N

,我們可發現其中的等效雜訊N

eff

並非白色雜訊,也就是說不同“ i ”之間的等化

訊號Z 彼此會有相關性(correlation)

i k ,

。由於軟性反對映與 LDPC Codes 解碼器 皆是在假設訊號彼此之間互為獨立的條件下對訊號進行分析的,所以在此一情況 下,會使得系統的效能下降。為了解決此一問題,我們使用 MAP 偵測器,將偵 測器與軟性反對映結合在一起,不必透過 MMSE 等化接收訊號後才再求取軟性 輸出,而可直接由原始的接收的訊號來獲得準確性較高的軟性輸出之值,以確保 系統本身的效能。

在第三章中有提到,整個 MIMO-OFDM 系統在不同的子通道之數學模型可 以用

( ) 3.2

式:

( ) ( ) ( ) ( )

Y k = H k S k + N k

來表示,由於

H k ( )

N k ( )

對不同的

k

而言是 i.i.d.隨機變數,為了表示方便,我 們將

k

省略,也就是

( ) 3.2

式可表示為下式:

y=Hs+ (4.1) n

,以方便我們在數學式上的表示與推導。

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