شکل (۳-۲) پروفایل تاخیر توان، پخش تاخیر RMS،و پهنای باند همدوسی [۱۵] ۳۳
شکل (۳-۳) طیف توان داپلر، پخش داپلر، و زمان همدوسی [۱۵] ۳۵
شکل (۴-۱) الگوی بلوکی برای سمبل های آموزشی [۱۲] ۴۰

شکل (۴-۲) الگوی شانه برای سمبل های آموزشی [۱۲] ۴۱
شکل (۴-۳) الگوی شبکه ای برای سمبل های آموزشی [۱۲] ۴۲
شکل (۵-۱) NMSE الگوریتم تخمین کانال LS بر حسب SNR متوسط ۴۹
شکل (۵-۲) NMSE الگوریتم تخمین کانال ELS بر حسب SNR متوسط ۵۰
شکل (۵-۳( ساختار الگوریتم تخمین کانال ILS [18] 55
شکل (۵-۴) NMSE الگوریتم تخمین کانال ILS بر حسب SNR متوسط ۵۶
شکل (۵-۵) مقایسه ی NMSE الگوریتم های تخمین کانال LS، ELS، و ILS بر حسب SNR متوسط برای ۶۰
شکل (۵-۶) ساختار سمبل های آموزشی متعامد در یک سیستم MIMO-OFDM . (الف) آنتن اول فرستنده. (ب) آنتن دوم فرستنده [۲۰] ۶۲
شکل (۵-۷) الگوریتم تخمین کانال LS با بهره گرفتن از درون یابی خطی ۶۴
شکل (۵-۸) الگوریتم تخمین کانال LS با بهره گرفتن از درون یابی مرتبه ی دوم ۶۶
شکل (۵-۹) الگوریتم تخمین کانال LS با بهره گرفتن از درون یابی Cubic Spline 67
شکل (۵-۱۰) الگوریتم تخمین کانال LS با بهره گرفتن از درون یابی پایین گذر ۶۹
شکل (۵-۱۱) الگوریتم تخمین کانال با رو شهای مختلف درون یابی برای ۶۹
شکل (۵-۱۲) NMSE الگوریتم LS تخمین کانال با تکرار و بدون تکرار بر حسب SNR متوسط ۷۵
شکل (۵-۱۳) NMSE الگوریتم تخمین کانال Li بر حسب SNR متوسط ۸۰
شکل (۵-۱۴) مقایسه ی عملکرد الگوریتم های LS بدون تکرار و Li برای ۸۰
شکل (۷-۱) NMSE الگوریتم تخمین کانال MMSE بر حسب SNR متوسط ۹۸
شکل (۸-۱) محیط انتشاری متناسب با مدل کانال two-ray در سناریوی En-Route 103
شکل (۸-۲) (a) پاسخ ضربه ی کانال محوشدگی two-ray (b) تخمین پاسخ ضربه ی کانال two-ray با بهره گرفتن از الگوریتم LS © تخمین پاسخ ضربه ی کانال two-ray با بهره گرفتن از الگوریتم LS بهبود یافته ۱۰۶
شکل (۸-۳) NMSE الگوریتم تخمین کانال ILS بر حسب SNR متوسط برای کانال محوشدگی two-ray 115
شکل (۸-۴) BER بر حسب SNR متوسط برای کانال محوشدگی two-ray 116
فهرست نشانه های اختصاری
ACI Adjacent Channel Interference BER Bit Error Rate CDF Cumulative Distribution Function CFO Carrier Frequency Offset CP Cyclic Prefix DFT Discrete Fourier Transform ELS Enhanced Least Squares FDM Frequency Division Multiplexing FFT Fast Fourier Transform GLR Generalized Likelihood Ratio HT Hilly Terrain ICI Inter Carrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform ILS Improved Least Squares ISI Inter Symbol Interference LOS Line of Sight LS Least Squares LTE Long Term Evolution MAP Maximum A Posteriori MIMO Multiple-Input Multiple-Output ML Maximum Likelihood MMSE Minimum Mean Square Error MSE Mean Square Error NMSE Normalized Mean Square Error OFDM Orthogonal Frequency Digital Multiplexing PAPR Peak to Average Power Ratio PDF Probability Density Function PSD Power Specteral Density PSK Phase Shift Keying QAM Quadrature Amplitude Modulation RMS Root Mean Square SINR Signal to Noise plus Interference Ratio SISO Single-Input Single-Output SNR Signal to Noise Ratio TU Typical Urban US Uncorrelated Scattering WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WMAN Wireless Metropolitan Area Network WSS Wide-Sense Staitionary WSSUS Wide-Sense Staitionary Uncorrelated Scattering
فصل اول
سیستم های چند آنتنی
مقدمه
رشد روزافزون تقاضا در دو دهه ی گذشته برای مخابرات بیسیم با نرخ داده بالا و کیفیت خدمات مطلوب^[۱]، طراحی این گونه سیستم ها را به یک چالش اصلی و زمینه ی تحقیقاتی بسیار مهم در علم مهندسی مخابرات تبدیل کرده است. در نگاه اول به نظر می رسد می توان با صرف منابع توان ارسالی و پهنای باند در سیستم های تک-ورودی تک-خروجی^[۲] (SISO) به این مهم دست یافت اما مساﺋل متعددی نظیر هزینه اقتصادی، تکنولوژی ساخت، و محدودیت های عملی چنین امری را اگر نگوییم غیر ممکن بلکه بسیار دشوار می سازد. افزایش توان ارسالی و در نتیجه نسبت سیگنال به نویز^[۳] (SNR) در گیرنده به منظور ارتقای ظرفیت کانال نه تنها هزینه بر بوده بلکه با قیودی نظیر محدودیت به دلیل ملاحظات خطر زیستی، محدودیت ماکزیمم توان ارسالی در فرستنده های خطی و ماکزیمم SNR در گیرنده های خطی رو به رو است. علاوه بر این، پدیده هایی نظیر محوشدگی کانال^[۴] و تداخل ببین کانال های مختلف مخابراتی^[۵]، موجب کاهش SNR دریافتی و در نتیجه ظرفیت کانال می شود. از طرفی افزایش پهنای باند به عنوان یک منبع کمیاب و بسیار گران چندان عملی نبوده و همچنین منجر به کاهش قابل ملاحظه ی برد و پوشش شبکه ی مخابراتی می شود [۵].
استفاده ی هم زمان از چند آنتن در فرستنده و گیرنده که به عنوان تکنولوژی چند-ورودی چند- خروجی^[۶] (MIMO) شناخته می شود، پیشرفت چشمگیری در طراحی سیستم های مخابرات بیسیم به حساب می آید که به علت قابلیت هایی نظیر افزایش کارایی طیف و بهبود عملکرد گیرنده توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این تکنولوژی بدون نیاز به افزایش توان ارسالی یا پهنای باند تنها با بهره برداری از بعد فضا علاوه بر ابعاد زمان و فرکانس، مزیت هایی را جهت غلبه بر اثرات نا مطلوب پدیده ی محوشدگی چند مسیره^[۷] و همچنین محدودیت منابع ارا ئه می دهد.
سیستم مخابراتی بیسیم MIMO
مزایای استفاده از تکنولوژی MIMO عبارتند از :

• • بهره ی آرایه ای ^[۸]

• • بهره ی دایورسیتی فضایی ^[۹]

• • بهره ی تسهیم فضایی ^[۱۰]

• • کاهش تداخل ^[۱۱]

که در ادامه به اختصار به معرفی هر یک می پردازیم.
بهره ی آرایه ای
بهره ی آرایه ای عبارتست از افزایش SNR در گیرنده ناشی از اثر ترکیب همدوس سیگنال های دریافتی در گیرنده که از طریق پردازش سیگنال در فرستنده و گیرنده حاصل می شود. بهره ی آرایه ای نیازمند اطلاعات کانال در فرستنده و گیرنده بوده و به تعداد آنتن به کار گرفته شده در فرستنده و گیرنده وابسته می باشد. بهره ی آرایه ای مقاومت نسبت به نویز را افزایش داده که منجر به بهبود برد و پوشش شبکه ی بیسیم می شود [۵] [۸] [۶۷].
بهره ی دایورسیتی فضایی
مخابره در کانال های بیسیم به صورت عمده در معرض پدیده محوشدگی چند مسیره قرار دارد. پدیده چند مسیره عبارتست از دریافت سیگنال ارسالی در گیرنده از طریق زوایای ورود^[۱۲] مختلف، تاخیرهای زمانی^[۱۳] مختلف، و شیفت های فرکانسی (داپلر)^[۱۴] مختلف، ناشی از انتشار امواج الکترومغناطیسی در محیط. این پدیده که موجب نوسان تصادفی توان سیگنال دریافتی در فضا (به علت انتشار زاویه^[۱۵])، در فرکانس (به علت انتشار تاخیر^[۱۶])، و در زمان (به علت انتشار داپلر^[۱۷]) می شود به عنوان محوشدگی^[۱۸] شناخته شده و به شدت کیفیت و قابلیت اطمینان^[۱۹] سیستم های مخابرات بیسیم را تحت تاثیر قرار می دهد. دایورسیتی یک تکنیک قدرتمند برای غلبه بر فیدینگ مقیاس کوچک^[۲۰] ناشی از اثر کانال جند مسیره می باشد. در این تکنیک چند نسخه از سیگنال بر روی چند مسیر محوشدگی مستقل (در زمان، مکان، و فرکانس) ارسال می شود. بنابراین، احتمال اینکه حداقل یک یا چند مسیر محوشدگی عمیق^[۲۱] را تجربه نکنند افزایش یافته و در نتیجه کیفیت، پوشش، و قابلیت اطمینان شبکه ی مخابراتی افزایش می یابد. لازم به ذکر است که با افزایش مسیرهای دایورسیتی، این احتمال افزایش می یابد. دایورسیتی فضایی^[۲۲] از این مزیت نسبت به دایورسیتی زمانی و فرکانسی برخوردار است که نیازمند صرف بیشتر زمان ارسال و پهنای باند نبوده و از این لحاظ تاثیری بر نرخ ارسال داده نسبت به سیستم های SISO ندارد. در دایورسیتی فضایی، ارسال و دریافت سیگنال اطلاعات از طریق آنتن هایی که در فواصلی بیش از همدوسی فضایی^[۲۳] از هم قرار گرفته اند، انجام می شود. همدوسی فضایی عبارتست از مینیمم فاصله ی فضایی آنتن ها از یکدیگر جهت حصول به محوشدگی مستقل در مسیر های متفاوت، که وابسته به پخش زاویه^[۲۴]ی چند مسیره چه در ورود به آنتن های گیرنده و چه در خروج از آنتن های فرستنده می باشد. به عنوان مثال، چنانچه زاویه ی ورود به گیرنده در تمامی جهات در سمت ازیموت^[۲۵] باشد، فاصله ی فضایی ۰٫۴λ-۰٫۶λ (λ طول موج متناسب با فرکانس کاری) برای محوشدگی مستقل مناسب می باشد. هر چه انتشار زاویه ی کانال چند مسیره کوچکتر شود، همدوسی فضایی بزرگتر خواهد بود. در یک سیستم MIMO با M آنتن فرستنده و N آنتن گیرنده، در صورتی که MN کانال موجود بین فرستنده و گیرنده دارای محوشدگی مستقل باشند و سیگنال ارسالی به طور مناسب طراحی شده باشد، در گیرنده با ترکیب سیگنال های دریافتی بهره ی دایورسیتی فضایی از مرتبه ی MN قابل حصول خواهد بود [۸] [۶۷].
بهره ی تسهیم فضایی
از دیگر مزیت های سیستم های MIMO، افزایش خطی در ظرفیت کانال محوشدگی از طریق ارسال چند رشته ی مستقل داده به صورت هم زمان از آنتن های متفاوت است که بهره ی تسهیم فضایی نامیده می شود. در شرایط مناسب کانال نظیر انتشار غنی^[۲۶] در محیط، گیرنده می تواند رشته های داده را از یکدیگر تمیز دهد. نکته ی قابل توجه آن است که این افزایش ظرفیت کانال که معادل با مینیمم تعداد آنتن به کار رفته در فرستنده و گیرنده می باشد، بدون صرف توان ارسالی و پهنای باند اضافی صورت می گیرد [۸] [۶۷].