1. Trang chủ
  2. » Kỹ Thuật - Công Nghệ

Investigation of channel code for multiple hop MIMO relay systems

8 45 0

Đang tải... (xem toàn văn)

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Nội dung

The theoretical calculation result and simulation result of BER are compared to verify the validity of close-form of BER. Furthermore, the Bose - Chaudhuri - Hocquenghem code and the convolutional code are applied to multiple-hop MIMO relay systems and the BER of both channel codes is compared to find out the suitable channel code for medical application.

Research INVESTIGATION OF CHANNEL CODE FOR MULTIPLE-HOP MIMO RELAY SYSTEMS Vu Van Son*  Abstract: In order to improve performance of wireless systems, a multiple-hop relay system was proposed in several papers, however the bit error rate (BER) was not taken into consideration Consequently, we have proposed the BER calculation method for the multiple-hop system in the recent work, and in this work several channel codes is applied into multiple-hop systems and the BER of whole system is calculated and discussed The theoretical calculation result and simulation result of BER are compared to verify the validity of close-form of BER Furthermore, the Bose - Chaudhuri - Hocquenghem code and the convolutional code are applied to multiple-hop MIMO relay systems and the BER of both channel codes is compared to find out the suitable channel code for medical application Keywords: Multiple-hop MIMO relay system, Bit error rate calculation method, BCH code, Convolutional code.  INTRODUCTION In recent years, multiple-input multi-output (MIMO) technology using multiple  antennas at both the access point (base station) and user terminal sides has become  a  popular  research  field  of  next  generation  mobile  communication  systems.  The  increase of the system channel capacity under finite frequency bandwidth has made  the MIMO system unique and efficient in data transmission.  In  terms  of  the  scientific  underpinnings,  MIMO  research  can  be  divided  into  three following areas, namely, 1) array antennas and adaptive signal processing for  the implementation of antenna configurations and control methods, 2) information  theory  and  coding  schemes  (space-time  coding)  for  the  implementation  of  an  efficient  data  transmission,  and  3)  radio  wave  propagation  for  the  modeling  of  MIMO channel [1]-[6].  The  MIMO  channel  capacity  can  be  decreased  when  the  distance  between  a  base  station  and  an  user  terminal  is  much  larger  than  the  base  station  and  user  terminal scatter radius, this leads to a wave-guiding structure with a small rank of  the  MIMO  matrix,  even  though  the  signals  between  antenna  elements  are  uncorrelated.  This  effect  has  been  termed  “keyhole”  or  “pinhole”  (hereafter,  we  call  it  keyhole).  In  the  keyhole  environment,  the  multi-stream  transmission  becomes  impossible,  and  high-speed,  high-reliability  transmission  cannot  be  expected [7]-[9].  In  the  future,  it  is  believed  that  more  MIMO  service  area  will  be  established.  Thus, an expansion of an service area to an isolated area is anticipated. Based on this  idea,  the  authors  have  proposed  a  general  idea  of  a  MIMO  relay  system  that  can  maintain the ability of high-speed and/or high-reliability data transmission [10].   A MIMO relay system can relay radio signals from a MIMO service area to an  isolated  area.  In  general,  when  a  MIMO  relay  systems  has  only  one  relay,  the  whole channel in the MIMO relay systems is equivalent to a MIMO multi-keyhole  environment.  In  a  multi-keyhole  environment,  the  probability  density  functions  (PDFs) of singular values of channel response matrix or eigenvalues of correlation    Journal of Military Science and Technology, Special Issue, No 51A, 11 - 2017   17 Electronics & Automation matrix  are  important  from  a  viewpoint  of  system  designing  such  as  transmission  characteristic  meaning  channel  capacity  and  bit  error  rate  analysis.  Furthermore,  these  papers  showed  that  the  performance  of  system  becomes  better  when  the  number of relays increases, however the BER was not taken into consideration.  In  multiple-hop  system, the error  bit  of  previous  link  affects  the  channel  quality of  the  following  links.  Therefore,  we  proposed  BER  calculation  method  for  multiple-hop  MIMO  relay  systems  and then  investigate the  number of  relays  for  the  best  performance  [11].  However,  the  validity  of  close-form  BER  calculation  method was not verified, furthermore the investigation of channel code in multiplehop  relay  system  was  not  taken  into  consideration.  Therefore,  in  this  work,  we  compare the theoretical calculation method and the simulation method to verify the  close-form  of  BER  and  analyze  the  BER  of  multiple-hop  system  in  different  channel codes.  The  rest  of  paper  is  as  follows.  Section  2  explains  the  system  model,  and  then  the BER  calculation  method  is proposed and the close-form  is  verified  in  Section 3. The calculation result of BER for different channel code  is  presented in  Section  4. Section  5  concludes  the  paper.  SYSTEM MODEL     Figure The concept of multiple-hop MIMO relay systems.  The detail of system model is described in [11], however in order to help readers  easily follow the work, it is breafly represnted once again. Fig shows m relays  intervened multi-hop  MIMO  relay  system. Here, Ki  (i =  0 ··  ·  m+1)  denotes  the  number of the antenna elements at the Tx, the Rx and each relay node. di  (i = 0, ··  ·, m) represents the distance between each transceivers.  The distance between the Tx and the Rx is fixed as d. The signal is transmitted  from the Tx to the RS1. At the RS1, the signal is decoded, encoded and transmitted  to  the  RS2.  Similarly,  the  signal  is  transmitted  over  and  over  until  the  signal  reaches  to  the  final  receiver.  We  assume  the  transmit  power  of  each  relay  is    18  Vu Van Son, “Investigation of channel code MIMO relay systems.” Research equally divided into each antenna element. In other site, as described in Section I,  if the number of antenna elements at one relay is smaller than the other, this relay  will  be  the  bottleneck  of  system  and  the  channel  capacity  of  the  system  will  be  restricted by this relay. Since in this paper we consider the distance and transmit  power, the number of antenna elements at each relay is assumed to be the same as  that of the Tx and the Rx and be denoted by M.  Let Hii+1  denotes a Ki+1  x Ki  channel matrix  between the RSi  and the RSi+1    Since the path loss  is taken into consideration, Hii+1  is the composite  matrix. We  model Hii+1 as:   H ii 1  lii 1 H wii 1 , i   0,···, m                                        (1)  where Hwii+1  is a matrix with independent and identically distributed (i.i.d.), zero  mean,  unit  variance,  circularly  symmetric  complex  Gaussian  entries,  and  lii+1  represents the path loss between the RSi and the RSi+1. The path loss is described  in detail in the following section.  On  the  other  hand,  we  assume  the  time  division  multiple  access  (TDMA)  algorithm is applied to control the transmission of each relay node. The allocation  m time for each relay in unit time is denoted by ti,   i 0 ti         Moreover, in order to explain controlling of distance and transmit power clearly,  the treating of allocation time is left to the future work, in this paper allocation time  of each relay node is assumed to be the same,  ti    m 1 BER OF MULTIPLE-HOP MIMO RELAY SYSTEMS 3.1 BER of every hop The  BER  after  modulation is  as  follows  [12]:  pi = α.erfc( SNRi )         i = 0, …, m                                       (2)  M Where erfc is the complementary error function, α and β are the factors based on  the modulation scheme and summarized in Table 1, SNRi is the signal to noise ratio  at relay i.  Table Factor α and β of several modulation schemes Modulation scheme  α  β  index  BPSK  1/2  1  1  QPSK  1/2  2  2  8PSK  1/3  1/ sin2(π/8)  3    Journal of Military Science and Technology, Special Issue, No 51A, 11 - 2017   19 Electronics & Automation 16QAM  3/8  10  4  64QAM  7/24  42  6  256QAM  15/64  170  8  In order to improve the quality of service (QoS) of system, the channel code is  applied.  In  this  work,  we  investigate  the  effect  of  BER  at  every  hop  on  QoS  of  whole system whether the QoS of every hop. Therefore, any channel code can be  used as an example to analyze of performance and the well-known (63, 57) Bose -  Chaudhuri - Hocquenghem (BCH) is applied. The other parameter of BCH code as  shown  in  Table  2  can  be  used  instead  of  (63,57),  the  result  (is  discussed  in  the  following section. Due to application of the BCH code, the BER after decoding at  the RSi is described as follows [13]:  m m BERi =   ( j ) pij (1-pi)m-j,                                         (3)  j t 1 where m and t denote the block length and the error correction capability of BCH  code, respectively.  Here  k  denotes  the  number  of  information  bits  in  every  block  code. Thus, the code rate, r, becomes r = k/m.  3.2 BER of multiple-hop system   Figure State transition diagram of an information bit b.   As  explained  in  the  previous  section,  the  bit  can  be  error  at  every  hop  and  the  state transition diagram of an information bit b which is transmitted from the TX to  the  RX  is  described  in  Fig 2.  At  a  hop  the  information  bit  b  can  be  in  error  and  become the error bit, -b, however the error bit -b can be in error again and turn back  to the correct information bit, b. Consequently, at the destination, the information  bit  b  is  correctly  transmitted  if  it  has  no  error  or  the  number  of  errors  is  even,  whereas  the  information  bit  b  is  uncorrectly  transmitted  and  it  becomes  the  error  bit, -b, if the number of error is odd in whole transmission process. Thus, the BER  of whole system is represented as follows.  m m i 0 j 0 m m BERi=   ( BERi  (1  BERi ))  +   ( BER BER BER  (1  BER ))      (4)  i i j k j k l l i , j ,k   20  Vu Van Son, “Investigation of channel code MIMO relay systems.” Research However, the BER of any link is much smaller than 1, therefore we can ignore  three (3) or over power to BER and the BER of whole system is rewritten by:  m m BER =  BERi  2 BERi BE  R j                                   (5)  i 0 i j 3.3 Comparison of theoretical and simulation result Fig 3 shows the BER of whole system while the number of hops and Eb/No are  changing. The theoretical result and the simulation result also are compared in Fig 3. The BER of whole system deteriorates when the number of hops increase, this is  appropriate  to  the  equation  of  BER  (5).  The  result  of  theoretical  method  and  simulation  is  perfect  match,  therefore  we  can  say  that  the  derived  close-form  of  BER  is  propriety  and  can  be  used  instead  of  simulation  method  to  calculate  the  BER of multiple-hop systems.    Figure 3. Comparison of theoretical and simulation results.  COMPARISON OF BCH AND CONVOLUTIONAL CODE 4.1 Channel codes There  are  two  type  of  channel  codes,  one  is  block  code  and  the  other  one  is  convolutional codes. In IEEE 802.15.6, the BCH code is specified, therefore in this  work  we  use  BCH  code  as  the  representation  of  block  code.  In  order  to  keep  fairness for both BCH code and convolutional codes, the code rate of both channel  codes is set to ½. The detail of each one is represented as follows.  The  BCH  codes  are  a  generalization  of  Hamming  codes  which  allow  multiple  error    correction.  BCH  code  is  the  one  of  the  very  powerful  cyclic  codes  that  broadens  options  such  as  block  length,  code  rate,    bit  size,  error    correction  capability and  so on [13]. If the block length is a remarkably long as hundreds of  bits, this  code  characteristic is good than  other  codes which  have same block    Journal of Military Science and Technology, Special Issue, No 51A, 11 - 2017   21 Electronics & Automation lengths and code rate.  Moreover, the most widely used BCH code uses code word  block  length  as  m  =  2n  –  1  (n  =  3,4, ).  BCH  code  is  the  most  easily  defined  in  terms of the roots of the generator polynomial. The soft-decision decoding of block  code is complex, thus the hard-decision is applied in this work.  Convolutional code  is that  perform coding  bit  sequence or  symbol  sequence   with  any  lengths sequentially.  This code  word has  any  number of lengths.  As  decoding method, Viterbi algorithm is commonly used. Convolutinal code encodes  with  the previous any bits, response between information data  and  coding  data   is sequentially. Code rate r = k/m, where, k is information bits, m is coding bits.  The detail of both codes is described in Table 2, the code rate of both them is ½.  Table BCH code and convolutional code for comparison Constraint  Code  (m,k)  Code rate  length  (7,4), (15,7), (31,16),  k/m  BCH code  (63,30), (63,36),    ( = ½)  (127,64)  Convolutional    3,5,7,9  1/2  code  4.2 Calculation result We  evaluate  BCH  and  convolutional  codes  in  Fig 4.  The  calculation  result  shows  that  bit  error  rate  characteristic  of  (31,16)  BCH  code  is  the  same  as  convolutional codes of code rate ½ and constraint length 7 or more. Furthermore,  BCH code is less computation than convolutional codes in comparison of amount  of calculation for decoding if using the same code rate. if the amount of calculation  is low, it leads to reduce complexity and delay transmission time. Furthermore, the  BER is low meaning the system is reliable. Consequently, in situation of medical  application, BCH code is more suitable than convolutional codes.    Figure Comparison of BCH and convolutional codes.    22  Vu Van Son, “Investigation of channel code MIMO relay systems.” Research CONCLUSIONS In  this  paper,  the  close-form  of  calculation  method  of  BER  for  multiple-hop  MIMO relay system was verified by BCH code, and as the result it is said that this  close-form is suitable and can be used instead of simulation method. Moreover, the  representation  of  block  code,  BCH  code,  was  compared  to  convolutional  codes  with the constant of code rate ½. The BCH code has lower amount of computation  and better BER, it is suitable for medical application than the convolutional codes.  However,  in  this  paper,  BCH  code  and  convolutional  code  are  compared,  another code will be compared in the future work, and the combination of channel  code with control scheme on MAC layer will be taken into consideration.  REFERENCES [1].  K.  Miyashita,  T.  Nishimura,  T.  Ohgane,  Y.  Ogawa,  Y.  Takatori,  and  K.  Cho,  “High data-rate transmission with eigenbeam space division multiplexing (ESDM) in a MIMO channel,” Proc. IEEE VTC 2002-Fall, vol.3, pp. 1302-1306,  Sept. 2002.  [2].  J.B.Andersen,  “Array gain and capacity for known random channels with multiple element arrays at both ends,”  IEEE  J.Set.Areas  Commun.,  vol18,  no.11, pp. 2172-2178, 2000.  [3].  J.  F.  Kepler,  T.  P.  Krauss,  and  S.  Mukthavaram, “Delay spread measurements on a wideband MIMO channels at 3.7 GHz,”  2002  IEEE  VTC - Fall, Vancouver, Sept. 2002.  [4]. D. S. Shiu, G. J. Foschini, M. J. Gans, and J. M. Kahn, “Fading cor- relation and its effect on the capacity of multielement antenna systems,”  IEEE  Trans.  Commun., vol.48, no.3, pp. 502-513, 2000.  [5].  D.Chizhik,G.J.Foschini,M.J.Gans,and  R.A.Valenzuela,  “Key- holes, correlations, and capacities of multielement transmit and receive antennas,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol.1, no.2, pp. 361-368, 2002.  [6].  D.  Gesbert,  H.  Bolcskei,  D.  A.  Gore,  and  A.  J.  Paulraj,  “MIMO wireless channel: Capacity and performance prediction,”  Proc.  GLOBECOM,  vol.2, pp. 1083-1088, Nov / Dec. 2000.  [7].  B.  Wang,  J.  Zhang,  and  A.  host-Madsen,  “On the capacity of MIMO relay channel,” IEEE Trans.Inf.Theory, vol.51, no.1, pp. 29-43, Jan. 2005.  [8]. S. M. Alamouti, “A simple transmit technique for wireless communications,”  IEEE J.Set.Areas Commun., vol.16, no.8, pp. 1451-1458, 1998.  [9].  V.  Tarokh,  N.  Seshadri,  A.  R.  Calderbank, “Space-time codes for high data rate wireless communication: Performance critrion and code constraction,” IEEE Trans. Inf. Threory, vol.44, no.2, pp. 744-765, 1998.  [10].  Makoto  Tsuruta,  Tetsuki  Taniguchi,  and  Yoshio  Karazawa,  “On statistical Distribution of Eigenvalues of channel corre- lation matrix in MIMO multiKeyhole environment,” IEICE Trans.Commun, vol.E90-B, no.9 Sept. 2007.  [11].  Vu  Van  Son,  “Bit Error Rate Calculation Method for Multiple-hop Relay Systems,”  International  Journal  of  Emerging  Technology  &  Advanced  Eng.,  Vol. 7, Iss. 9, pp. 1-5, Sept. 2017.  [12]. J. G. Proakis, “Digital Communication”, McGraw-Hill. 3rd Edi- tion, 1995.    Journal of Military Science and Technology, Special Issue, No 51A, 11 - 2017   23 Electronics & Automation [13].  George  C.Clark  Jr.  and  J.Bibb  Cain,  “Error-Correction Coding for Digital Communications (Applications of Communications Theory),” Springer, 1981.  TÓM TẮT NGHIÊN CỨU MàKÊNH CHO HỆ THỐNG   CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG MIMO  Để cải thiện hiệu cho mạng vô tuyến, cấu hình đa chặng chuyển tiếp đề xuất số cơng trình, nhiên tỉ lệ lỗi bít (BER) khơng khảo sát, đánh giá cách cụ thể Vì thế, chúng tơi đề xuất phương pháp tính BER cho hệ thống đa chặng chuyển tiếp nghiên cứu gần đây, nghiên cứu số mã kênh áp dụng cho hệ thống đa chặng BER khảo tính tốn, khảo sát Kết tính tốn BER theo phương pháp lý luận toán học so sánh với phương pháp mơ để xác minh thích hợp cơng thức gần tính BER theo phương pháp tốn học Ngồi ra, mã kênh BCH mã chập áp dụng vào hệ thống đa chặng chuyển tiếp MIMO, BER hai mã so sánh để tìm mã kênh thích hợp cho ứng dụng y tế Từ khố: Hệ thống đa chặng chuyển tiếp MIMO, Tỉ lệ lỗi bít, Phương pháp tính tỉ lệ lỗi bít, Mã kênh BCH,  Mã chập Received date, 26th Sep., 2017 Revised manuscript, 17th Oct., 2017 Published, 01st Nov., 2017   Author affiliations:    Military Technical Academy;                 * Corresponding author: sonthuy0912@gmail.com     24  Vu Van Son, “Investigation of channel code MIMO relay systems.” ... following  links.  Therefore,  we  proposed  BER  calculation  method  for multiple- hop MIMO relay systems and then  investigate the  number of relays  for the  best  performance  [11].  However, ... BER is low meaning the system is reliable. Consequently, in situation of medical  application, BCH code is more suitable than convolutional codes.    Figure Comparison of BCH and convolutional codes.    22  Vu Van Son, Investigation of channel code MIMO relay. .. Son, Investigation of channel code MIMO relay systems. ” Research However, the BER of any link is much smaller than 1, therefore we can ignore  three (3) or over power to BER and the BER of whole system is rewritten by: 

Ngày đăng: 10/02/2020, 00:33

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN