خلاصه

به رغم وجود آثار متعدد در مورد تخمین کانال، تعداد بسیار کمی از آنها، تخمین کانال را با استفاده از الگوریتمهای ابتکاری بررسی میکنند. تکنیکهای ابتکاری بسیارسریعتر از روشهای نقطه به نقطه ( به خصوص در فضای جستوجوی بزرگ) به جواب میرسند. روشهای ابتکاری برای تخمین کانال در مقایسه با روشهای دیگر ، پیچیدگی محاسباتی را کاهش داده و ضرایب MSE را در سطح قابل قبولی حفظ می کنند. در این تحقیق به بررسی تخمین کانال به کمک برخی روشهای ابتکاری PSO) و( GA میپردازیم. بین تکنیکهای تخمین مورد بررسی، مقایسهای صورت گرفته است که مزایا و معایب هر کدام را نشان می دهد. همچنین تاثیر پارامترهای مختلف سیستم روی خطای تخمین کانال و در نهایت عملکرد سیستم ارزیابی میشود. ایده های مورد نظر در محیط نرم افزار متلب شبیهسازی و مقایسه شده اند.

کلمات کلیدی: تخمین کانال، سیستم OFDM ،الگوریتم ژنتیک، الگوریتم PSO

۱٫ مقدمه

فناوری ۱OFDM یک روش مبتنی بر مدولاسیون چند حامل، برای ارسال سیگنال روی کانالهای بیسیم استکه با تقسیم داده های نرخ بالا به چند رشته داده موازی با نرخ پایینتر، باعث تجزیه کانال انتخابگر فرکانسی به یک مجموعه موازی از کانالهای فیدینگ تخت شده و در نتیجه ساختار گیرنده را ساده میکند. در عمل هر زیر حامل میتواند رشته داده متعلق به یک کاربر را حمل کند و بدین ترتیب یک طرح دستیابی چندگانه مبتنی بر تقسیم بندی فرکانسی متعامد ۲ نتیجه می شود. در این طرح، هر کدام از زیر حاملها یا به عبارتی هر یک ازکاربران میتوانند مدولاسیون یا کدینگ متفاوتی داشته باشند و لذا انعطاف پذیری سیستم OFDM در کنار پیچیدگی کم آن، باعث شده که این روش، کاندید مناسبی برای مخابرات با نرخ داده بالا در کانالهای انتخابگر فرکانسی متغیر با زمان، باشد .[۱]

OFDM به دلیل قابلیت ریت ارسال بالا، بهرهوری فرکانسی بالا،و استحکام در برابر فیدینگ و تاخیر چند مسیری، به طور وسیعی در سیستمهای مخابرات سیار اعمال شدهاستOFDM .[2] در سیستمهایی نظیر پخش صوتی دیجیتال (DAB) ، پخش ویدئویی دیجیتال (DVB)و خط دیجیتال مشترک (DSL) استفاده شدهاست. یکی از چالشهای مهم در سیستم های OFDM، تخمین اطلاعات حالت کانال، با دقت و سرعت بالا به منظور استفاده در آشکارسازهای همزمان است. لذا بررسی روشهای تخمین کانال سریع، دقیق و با پیچیدگی کم، در سیستم های OFDM امری ضروری است.

این مقاله به معرفی دو روش ابتکاری، الگوریتم ژنتیک ۳و روش بهینهسازی گروه ذرات۴، به منظور تخمین کانال در سیستم OFDM میپردازد. معمولا تخمین کانال به عنوان یک مسأله بهینهسازی فرض میشود، که باید فاصلهی اقلیدسی بین تخمین ضرایب کانال و ضرایب کانال ایدهآل، حداقل شود. الگوریتمهای ابتکاری، نظیر روش PSO و GA، به خاطر پیچیدگی کمتر برای کانال OFDM، جذاب هستند. مقاله [۳] تخمین ضرایب کانال و

۱ orthogonal frequency division multiple (OFDM)
2 orthogonal frequency division multiple access(OFDMA)
3 Genetic Algorithm(GA) 4 Personal swarm optimization(PSO)

۱

دومین همایش ملی پژوهش های کاربردی در » مهندسی برق، مکانیک و مکاترونیک«
۲nd National Conference on Applied Researches in Electrical, Mechanical and Mechatronics Engineering

دادههای ارسالی را به طور مشترک برای سیستم یک گیرنده – یک فرستنده CDMA با کمک GA، پیشنهاد میکند. در مقالهی [۴]، تخمین کانال و داده با کمک الگوریتم میکرو ژنتیک و الگوریتم ویتربی، بررسی شدهاست. مقاله [۵]، روش تخمین کانال و آشکارسازی داده چند کاربره در سیستم SDMA MIMO OFDM، را بررسی کردهاست. این روش در سناریوی رنک ناقص، راهحل موثری ارائه میدهد و در نتیجه میتوان کاربران زیادی را پشتیبانی کرد. همچنین تخمین کانال با الگوریتم PSO در کانال MIMO در مقاله [۶] معرفی شده است.

PSO وGA شباهتهای زیادی دارند. هر دو با تولید جمعیت اولیه تصادفی، آغاز میشوند و از مقدار برازندگی برای تکامل اعضایشان استفاده میکنند. تفاوتهای اساسی این دو روش، انتخاب رهبر در PSO و انتخاب والدین در GA، همچنین بروزرسانی موقعیت ذرات در PSO و تولید نسل جدید در GA، میباشد. در PSO، اعضای جمعیت مکرر بروزرسانی شده و موقعیتشان را با موقعیت بهترین ذره (رهبر) تنظیم میکنند. از طرفی اعضای جمعیت در GA، اطلاعات را به نسل بعد انتقال میدهند.

ادامه مقاله به این صورت دستهبندی میشود. در بخش ۲ مدل سیستم دریافت و ارسال تحت مطالعه بیان شده و بخش ۳ به بررسی روشهای تخمین کانال با روشهای ابتکاری نظیر الگوریتم ژنتیک ۱و بهینهسازی گروه ذرات ۲، اختصاص دارد. عملکرد این روشها در بخش ۴ و از طریق شبیهسازی نرمافزاری، ارزیابی میشود. در انتها، بخش ۵ نتیجهگیری کار را در بر خواهد داشت.

۲٫ مدل سیستم مورد مطالعه

شکل ۱ بلوک دیاگرام یک سیستم ارسال و دریافت مبتنی بر OFDM را نشان میدهد. در سمت فرستنده، بیتهای ورودی پس از کدگذاری و جابجایی، مدوله شده و سپس پایلوت های تخمین کانال در میان سمبلهای داده وارد میشوند. سمبل های پایلوت و داده پس از نگاشت بر روی زیرحاملهای متعامد، به واحد معکوس تبدیل فوریه (IDFT) رفته تا با اجرای یک IDFTی نقطهای، سیگنال حوزه زمان حاصل شود. در خروجی IDFT یک ۳CP (پیشوند دورهای) که یک کپی از آخرین قسمت سمبل جاری است، در ابتدای هر سمبل برای جلوگیری از تداخل بین سمبل، اعمال شده و نمونه های زمانی سمبل OFDM از طریق کانال انتخابگر فرکانس گسسته به طول ارسال میشوند. در سمت گیرنده، با اجرای یک DFTی نقطهای برروی سمبلهای دریافتی، سمبلهای حوزه فرکانس متناظر توسط رابطه ۱) بدست میآیند:
y[k,n]  h[k,n]x[k,n] z[k,n] (1) که در آن

h[k, n] ضریب فرکانسی کانال و z[k, n] نویز سفید گوسی با واریانس در k امین زیرحامل و n امین سمبل OFDM را نشان میدهد. لذا یک سمبل OFDM دریافتی را به صورت (۲) میتوان نمایش داد: