Doppler Effect in 2 × 2 to 4 × 4 MIMO systems of wireless communication with orthogonal pilot channel estimation

• Autorzy: Romanuke Vadim

Identyfikatory

DOI

10.2478/sjpna-2020-0012

Warianty tytułu

PL

Efekt Dopplera w systemach komunikacji bezprzewodowej od 2×2 do 4×4 MIMO z oszacowaniem kanału przez pilota ortogonalnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The Doppler effect in 2×2, 3×3, 4×4 MIMO wireless communication systems with channel estimation is studied. The orthogonal pilot signal approach is used for the channel estimation, where the Hadamard sequences are used for piloting, along with the eight alternative orthogonal sets similar to the Walsh set. MIMO transmissions are simulated for 10 cases of the frame length and pilot symbols per frame by no Doppler shift to 1100 Hz Doppler shift with a step of 100 Hz. Based on the simulation, it is ascertained that MIMO transmissions of shorter frames are less sensitive to the Doppler effect. Despite increasing the number of antennas does not mitigate the Doppler effect, and the bit-error rate performance of 4×4 MIMO systems worsens faster than that of 2×2 MIMO systems, it is better to use the maximum number of antennas. The Doppler effect does badly worsen the performance at highway and express train speeds (100 km/hr, and faster), leaving only possibility to further shorten transmissions. This, however, decreases the data rate, but the respective accuracy-versus-data-rate tradeoff must be acceptable.

PL

W pracy przedstawiono badania efektu Dopplera w systemach komunikacji bezprzewodowej 2×2, 3×3, 4×4 MIMO z estymacją kanału. W procesie szacowania kanału zastosowano podejście sygnału pilotującego w wykorzystaniem sekwencji Hadamarda, wraz z ośmioma alternatywnymi zestawami baz ortogonalnych, podobnymi do zestawu Walsha. Transmisje MIMO zostały zasymulowane dla 10 przypadków, różniących się długością ramki i symboli pilotujących oraz częstotliwością Dopplera, której zakres zmieniał się od 0 do 1100 Hz z krokiem 100 Hz. Na podstawie badań symulacyjnych wykazano, że transmisje krótszych ramek MIMO są mniej wrażliwe na efekt Dopplera. Pomimo, że zwiększenie liczby anten nie zmniejsza efektu Dopplera, a wydajność współczynnika błędnych bitów w systemach 4×4 MIMO pogarsza się szybciej niż w systemach 2×2 MIMO, przeprowadzone badania wskazują na korzyści z zastosowania większej ilości anten. Efekt Dopplera znacznie pogarsza jakość transmisji przy prędkościach powyżej 100 km/h (ruch samochodów na autostradach lub pociągów ekspresowych), determinując potrzebę redukcji przesyłanych danych. To jednak zmniejsza szybkość transmisji danych, ale odpowiedni kompromis między dokładnością a szybkością przesyłania danych musi być akceptowalny.

Słowa kluczowe

EN

wireless communication; MIMO; Doppler effect; transmit-receive antenna pairs; bit error rate

PL

komunikacja bezprzewodowa; MIMO; efekt Dopplera; pary anten nadawczo-odbiorczych; współczynnik błędnych bitów

• Wydawca: Akademia Marynarki Wojennej im. Bohaterów Westerplatte
• Czasopismo: Scientific Journal of Polish Naval Academy
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 61 nr 4 (223)
• Strony: 5--20
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Romanuke Vadim

• Polish Naval Academy, Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Śmidowicza 69 Str., 81- 127 Gdynia, Poland

Bibliografia

• [1] Berger L. T., Schwager A., Pagani P., Schneider D. M., MIMO Power Line Communications: Narrow and Broadband Standards, EMC, and Advanced Processing. Devices, Circuits, and Systems, CRC Press, 2014.
• [2] Larsson E., Stoica P., Space-Time Block Coding For Wireless Communications, Cambridge University Press, UK, 2003.
• [3] Lee W. C. Y., Mobile Communications Engineering: Theory and Applications, 2nd Ed., McGrawHill, 1998.
• [4] Naguib A. F., Tarokh V., Seshadri N., Calderbank A. R., Space-time codes for high data rate wireless communication: Mismatch analysis, Proceedings of IEEE International Conference on Communications, Montréal, Québec, Canada, 8–12 June 1997, pp. 309–313.
• [5] Pätzold M., Mobile Fading Channels, Wiley, 2002.
• [6] Romanuke V. V., Computational method of building orthogonal binary functions bases for multichannel communication systems with code channels division, Mathematical Modeling and Computational Methods, Ternopil State Technical University, Ternopil, Ukraine, 2006.
• [7] Romanuke V. V., Generalization of the eight known orthonormal bases of binary functions to the eight orthonormal bases of binary surfaces, ‘Optoelectronic Information-Power Technologies’, 2007, No. 2, pp. 263–271.
• [8] Romanuke V. V., Simulation of code division by applying systems of orthogonal binary functions in L-channeled CDMA-system, ‘Herald of Khmelnytskyi National University. Technical sciences’, 2008, No. 6, pp. 121–132.
• [9] Skolnik M., Introduction to Radar Systems, 3rd Ed., McGraw-Hill, New York, 2001.
• [10] Stern H., Mahmoud S., Communications Systems, Pearson Prentice Hall, 2004.
• [11] Tarokh V., Jafarkhami H., Calderbank A. R., Space-time block codes from orthogonal designs, ‘IEEE Transactions on Information Theory’, 1999, Vol. 45, No. 5, pp. 1456–1467.
• [12] Tsoulos G., MIMO System Technology for Wireless Communications, CRC Press, 2006.
• [13] Walsh J. L. A closed set of normal orthogonal functions, ‘American Journal of Mathematics’, 1923, Vol. 45, No. 1, pp. 5–24.
• [14] Zhihua L., Qishan Z., Ordering of Walsh Functions, ‘IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility’, 1983, Vol. EMC-25, No. 2, pp. 115–119.
• [15] Zhuang A., Lohan E. S., Renfors M., Comparison of decision-directed and pilot-aided algorithms for complex channel tap estimation in downlink WCDMA systems, Proceedings of 11th IEEE Personal and Indoor Mobile Radio Communications (PIMRC), Vol. 2, London, UK, September 2000, pp. 1121–1125