دانلود رایگان ترجمه مقاله سیستم تقویتی چند گره ای برای توزیع اطلاعات از منابع مختلف (آی تریپل ای ۲۰۱۴)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

در حالی که آثار[۴] – [۱۴] ، سیستم های توزیع اطلاعات را با گیرنده های تک آنتن بررسی نمودند، اخیرا گیرنده های چند آنتن[۱۵] – [۱۷] برای سیستم های توزیع اطلاعات را در نظر گرفتند، زیرا تشکیل پرتوی گیرنده می تواند به میزان قابل توجهی عملکرد سیستم را بهبود بخشد. به طور خاص، تکنیک های پرتوساز هماهنگ در [۱۵] مورد بررسی قرار گرفته است، که در آن یک شکل کلی از قطری سازی بلوک برای ایجاد انتقال های متعامد به گروه های توزیع اطلاعات مجزا با استفاده از گیرنده های چند آنتن مطرح شده است. مقیاس بندی سرعت دست یافتنی با تعداد بیشتر از کاربران در[۱۶] برای توزیع اطلاعات چند ورودی چند خروجی (MIMO) مورد بررسی قرار گرفت که در آن انتقال در لایه کاربردی روی تعداد تحقق های کانال کد گذاری می شود. در [۱۷]، تشکیل دهنده های پرتوی انتقال غیر تکراری نزدیک به بهینه برای لایه توزیع اطلاعات لینک بی سیم با کانال های حقیقی طراحی شده اند و برای کانال ها با ارزش پیچیده، یک مرز بالا روی نرخ توزیع اطلاعات استنتاج می شود.

کارهای[۳] – [۱۷] سیستم های توزیع اطلاعات تک گره را در نظر گرفته اند. با این حال، زمانی که فاصله فرستنده-گیرنده افزایش می یابد، می شود، اتخاذ گره های تقویتی به شکلی موثر در مبارزه با افت مسیر کانال بی سیم لازم می شود. گره های تقویتی نیز برای غلبه بر اثر سایه لینک های بی سیم در مناطق بزرگ شهری با ساختمان های غول پیکر و موانع دیگر، مناطق پشت تپه و غیره ضروری می باشند. از این رو، تلاش هایی برای طراحی بهینه تشکیل پرتو برای توزیع اطلاعات روی یک گره با استفاده از گره های تقویتی صورت گرفته است. یک شبکه تقویتی برای توزیع اطلاعات چند گروهی [۱۸] در نظر گرفته می شود و یک الگوریتم تشکیل پرتوی توزیع شده برای به حداقل رساندن توان دستگاه تقویتی کل پیشنهاد شد که در آن هر گره با یک آنتن منفرد مجهز می شود. نویسندگان در [۱۹] حد پایین برای احتمال قطع برق را برای طرح های توزیع اطلاعات چند آنتن بر اساس راهبرد تقویت و ارسال (AF) مورد مطالعه قرار دادند که در آن کاربران با یک آنتن منفرد مجهز شدند. در [۲۰]، زمانبندی توزیع اطلاعات با جلسات متعدد و کانال های متعدد بررسی شدند که در آن ایستگاه پایه می تواند داده ها را در دو جلسه با استفاده ازMIMO به طور همزمان از طریق همان کانال توزیع نماید و مورد بررسی قرار گرفت و به کاربران اجازه داده شد تا با همکاری یکدیگر در کانال های متعامد کمک نمایند. بنابراین، این طرح در [۲۰] منجر به نرخ های توزیع اطلاعات بالاتر از انتقال تک جلسه انتقال مشترک بود و دستگاه تقویتی پیش کدگذاری مسئله طراحی در [۲۱] – [۲۲] برای دو گره برای سیستم تقویتی MIMO توزیع اطلاعات مورد بررسی قرار گرفت که در آن تمام گره ها با چند آنتن مجهز شده بودند. یک الگوریتم تکراری در [۲۲] برای بهینه سازی ماتریس های منبع، دستگاه تقویتی و گیرنده ها به طور مشترک توسعه یافته اند. به منظور کاهش پیچیدگی محاسباتی الگوریتم تکرار شونده، یک الگوریتم ساده نیز در [۲۱] – [۲۲] برای سیستم توزیع اطلاعات دو گره ای ارائه شده است. توزیع اطلاعات از منابع مختلف در یک سیستم تقویتی MIMO دو گره ای در [۲۳] در نظر گرفته شده است.

در این مقاله، ما سیستم های تقویتی MIMO چند گره ای توزیع اطلاعات را در نظر می گیریم که در آن چند فرستنده، پیام های خود را به یک گروه از گیرنده ها با کمک گره های تقویتی متعدد واقع در چند مجموعه در نظر توزیع می نماید. فرستنده ها، گره های تقویتی و گیرنده ها همه با چند آنتن مجهز می شوند. چنین سیستم تقویتی MIMO توزیع اطلاعات (از منابع مختلف) در آثار موجود بررسی نشده است. توجه داشته باشید که مقاله ما، طرح توزیع اطلاعات را در[۲۱] – [۲۲] با دو روش تعمیم می دهد. در مرحله اول، ما توزیع اطلاعات را از منابع مختلف به جای یک فرستنده برای توزیع اطلاعات در [۲۱] – [۲۲] در نظر می گیریم. در مرحله دوم، ما یک سیستم طرح توزیع اطلاعات تقویتیMIMO چند گره ای را با هر تعداد از گره ها تعمیم می دهیم. این تعمیم در مورد فاصله طولانی منبع به مقصد مهم است که در آن یک دستگاه تقویتی دو گره ای کافی نیست و دستگاه تقویتی چند گره ای برای ایجاد یک لینک منبع- مقصد قابل اعتماد لازم است. واضح است که با توجه به معرفی کاربران مختلف و گره های متعدد، تجزیه ماتریس خطای میانگین مربع (MSE) و از این رو روش بهینه سازی ماتریس های منبع و دستگاه تقویتی برای سیستم دو گره ای تک فرستنده بیشتر به چالش کشیده می شود. به خاطر سادگی پیاده سازی، ما راهبرد تقویتیAF را در تمام گره های تقویتی انتخاب می نماییم. ما مسئله طراحی انتقال مشترک و پیش کدگذاری دستگاه تقویتی را بر اساس معیار MSE ماکزیمم-مینیمم در نظر می گیرید. هدف ما، به حداقل رساندن حداکثرMSE از برآورد سیگنال شکل موج در میان تمام گیرنده های تحت محدودیت های توان در فرستنده ها و گره های تقویتی است. این مسئله بسیار غیر محدب با متغیرهای ماتریس است و به دست آوردن راه حل دقیقا بهینه بسیار دشوار است. ما یک الگوریتم تکراری را به طور مشترک برای بهینه سازی ماتریس های فرستنده، دستگاه تقویتی و گیرنده از طریق حل مسائل فرعی محدب توسعه می دهیم. با بهره برداری از ساختار بهینه ماتریس های پیش کدگذاری تقویتی، یک راه حل با پیچیدگی کم را برای این مسئله تحت برخی از تقریب های خفیف پیشنهاد می دهیم. ما همان مفهوم از فرض SNR بالا در [۲۲] را به منظور تجزیه پیچیده بهینه سازی مسئله اصلی به مسئله فرعی که به راحتی قابل حل است را اعمال می نماییم. به طور خاص، ما نشان می دهیم که تحت (در حد متوسط) فرض SNR بالا، مسئله را می توان با استفاده از تکنیک های استاندارد برنامه نویسی نیمه معین (SDP) حل نمود. شبیه سازی های عددی نشان دهنده اثربخشی الگوریتم های ارائه شده است. توجه داشته باشید که الگوریتم های ارائه شده از توزیع اطلاعات جریان داده های مختلف در مقایسه با طرح های توزیع جریان داده های تک موجود پشتیبانی می نماید [۳]-[۲۰]. در این مقاله، برای راحتی نوشتاری، ما یک سیستم حامل- واحد باند-باریک را در نظر می گیریم. با این حال، نتایج خود را می توانیم به طور سرراست برای هر حامل فرعی از سیستم تقویتی MIMO توزیع اطلاعات چند حامل پهنای باند تعمیم دهیم.

بقیه این مقاله به شرح زیر است. در بخش دوم، مدل سیستم برای شبکه تقویتیMIMO توزیع اطلاعات چند گره ای معرفی شده است. الگوریتم های طراحی ماتریس های انتقال پیوسته و تقویتی پیش کدگذاری در بخش سوم توسعه یافته است. بخش چهارم، نتایج شبیه سازی است که توجیه اهمیت این الگوریتم ارائه شده تحت سناریوهای مختلف را نشان می دهد. و در بخش پنجم، نتایج ارائه شده اند.
شکل. ۱٫ بلوک دیاگرام سیستم تقویتی MIMO چند گره ای برای توزیع اطلاعات

۲٫ مدل سیستم
ما یک سیستم توزیع اطلاعات MIMO، L گره ای را در نظر می گیریم که در آنK فرستنده به طور همزمان اطلاعات خود را به M گیرنده با استفاده از L – 1 گره تقویتی توزیع می نمایند همانطور که در شکل ۱نشان داده شده است. فرستندهk ام و گره تقویتیl ام با و آنتن مجهز می شوند. به خاطر سادگی نوشتاری، ما فرض کنیم که هر یک از گیرنده ها دارای Nd آنتن است. الگوریتم های توسعه یافته در این مقاله می تواند به طور صریح به سیستم های توزیع اطلاعات گسترش یابد که در آن گیرنده ها دارای تعداد مختلف از آنتن ها هستند. فرستنده ها، نمادهای حامل-اطلاعات برای تمام گیرنده ها با کمک L-1 گره تقویتی توزیع می نمایند. لینک های مستقیم بین فرستنده ها و گیرنده ها و لینک های بین هر دو دستگاه تقویتی غیر متوالی در نظر گرفته نمی شوند از آنجایی که ما فرض می کنیم که این لینک های مستقیم تحت تضعیفات مسیر بسیار بزرگتر در مقایسه با لینک ها از طریق گره (های) متوسط (تقویتی) قرار می گیرند.

هدف ما بهبود عملکرد سیستم از طریق ماتریس های بهینه سازی، انتقال و تقویتی پیش کدگذاری است. معمولا، عملکرد سیستم با کیفیت خدمات و منابعی است که مصرف می کند. رایج ترین معیارهای کیفیت خدمات مورد استفاده شاملMSE برای برآورد شکل موج سیگنال ، نرخ خطای-بیتی (BER)، ظرفیت سیستم و SNR خروجی می شود. جالب توجه است که اندازه گیری های کیفیت خدمات فوق را می توان از نظرMSE [24] بیان نمود. از سوی دیگر، منابعی که یک سیستم توزیع اطلاعات مصرف می کند، شامل طیف توان و انتقال می شود. در بخش بعدی، ما بهینه سازی منبع و ماتریس پیش کدگذاری تقویتی را به منظور بهبود عملکرد MSE در سیستم در نظر می گیریم. این مسئله، به به حداقل رساندن بدترین کاربرMSE از برآورد شکل موج سیگنال تحت محدودیت های توان انتقال در فرستنده ها و گره های تقویتی می پردازد.
همچنین می توان از شکل۲ مشاهده نمود که الگوریتم های تکرار شونده و ساده شده دارای عملکردMSE بدترین کاربر مشابه، حتی در SNRهای کم هستند. این نشان می دهد که فرض (در حد متوسط) SNR بالا در الگوریتم ساده شده، افت عملکرد قابل اغماض را در طیف وسیعی ازSNR در مقایسه با طراحی های تکرار شونده معرفی می کند. توجه داشته باشید که پیچیدگی محاسباتی الگوریتم ساده شده کمتر از پیچیدگی یک تکرار از الگوریتم تکرار شونده است، و برای سیستم های توزیع اطلاعات تقویتی MIMO عملی، این مورد بسیار جذاب است. ما روی الگوریتم ساده در نمونه های شبیه سازی زیر متمرکز خواهیم شد.
در مثال دوم، ما عملکردMSE از الگوریتم ساده پیشنهاد شده را برای تعداد مختلف از گیرنده ها مقایسه نمودیم. ما تنظیم نمودیم که ، و . شکل۳ ، نشان دهنده MSE بدترین کاربر و متوسطMSE تمام کاربران برای الگوریتم ساده به ازای Pr برای PS = 20dBاست. این را می توان به وضوح از شکل ۳ دید که زمانی که تعداد گیرنده ها افزایش می یابد، متوسط و بدترین کاربر MSE افزایش خود را حفظ می نمایند. این منطقی است زیرا احتمال زیاد برای پیدا کردن یک کانال دستگاه تقویتی گیرنده بدتر در میان تعداد کاربران افزایش یافته است و ما MSE بدترین کاربر را به عنوان تابع هدف انتخاب می کنیم. از سوی دیگر، MSE های متوسط برای تعداد مختلف از گیرنده ها تقریبا مشابه هستند.
در مثال بعد، ما عملکرد الگوریتم ماکزیمم-مینیمم MSE ساده را با الگوریتم NAF از نظر BER مقایسه می نماییم. صور فلکی سیگنال QPSK برای مدوله نمودن سیگنال منتقل شده استفاده می شوند. ما تنظیم می کنیم که ، و توزیع اطلاعات ۱۰۰۰Ns به صورت تصادفی بیت از هر فرستنده در تحقق هر کانال ایجاد می شود. شکل۴ نشان دهنده عملکرد BER هر دو الگوریتم به ازای Ps با Pr=20dB است.