4G無(wú)線(xiàn)球形檢測(cè)器在FPGA的應(yīng)用

WiMAX 對(duì)寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入如同手機(jī)對(duì)語(yǔ)音通信一樣意義非凡。它可以取代 DSL 和有線(xiàn)服務(wù)，為您隨時(shí)隨地提供互聯(lián)網(wǎng)接入。您只需要打開(kāi)計(jì)算機(jī)，連接到最近的 WiMAX 天線(xiàn)，就可以暢游全世界的網(wǎng)絡(luò)了。

　　寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入遇到的最大的挑戰(zhàn)之一就是移動(dòng)性，而這正是最新的 WiMAX 標(biāo)準(zhǔn)所要解決的。IEEE 802.16e-2005 介紹了傳輸和接收過(guò)程中多根天線(xiàn)的用法，即 MIMO 概念，又稱(chēng)為多輸入多輸出，是移動(dòng) WiMAX 的一個(gè)關(guān)鍵特性。

　　空分復(fù)用 (SDM) MIMO 處理可顯著提高頻譜效率，進(jìn)而大幅增加無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量?？辗謴?fù)用 MIMO 通信系統(tǒng)作為一種能夠大幅提升無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)容量和連接可靠性的手段，近來(lái)吸引了人們的廣泛關(guān)注。

　　MIMO 無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)最佳硬判決檢測(cè)方式是最大似然 (ML) 檢測(cè)器。ML 檢測(cè)因?yàn)楸忍卣`碼率 (BER)性能出眾，非常受歡迎。不過(guò)，直接實(shí)施的復(fù)雜性會(huì)隨著天線(xiàn)和調(diào)制方案的增加呈指數(shù)級(jí)增強(qiáng)，使 ASIC 或 FPGA 僅能用于使用少數(shù)天線(xiàn)的低密度調(diào)制方案。

　　在 MIMO 檢測(cè)中，既能保持與最佳 ML 檢測(cè)相媲美的 BER 性能，又能大幅降低計(jì)算復(fù)雜性的出色方法非球形檢測(cè)法莫屬。這種方法不僅能夠降低 SDM 和空分多接入系統(tǒng)的檢測(cè)復(fù)雜性，同時(shí)又能保持與最佳 ML 檢測(cè)相媲美的 BER 性能。實(shí)現(xiàn)球形檢測(cè)器有多種方法，每種方法又有多種不同算法，因此設(shè)計(jì)人員可以在諸如無(wú)線(xiàn)信道的吞吐量、BER 以及實(shí)施復(fù)雜性等多項(xiàng)性能指標(biāo)之間尋求最佳平衡。

　　雖然算法（比如 K-beST 或者深度優(yōu)先搜索）和硬件架構(gòu)對(duì) MIMO 檢測(cè)器的最終 BER 性顯而易見(jiàn)有極大的影響，不過(guò)一般在球形檢測(cè)之前進(jìn)行的信道矩陣預(yù)處理也會(huì)對(duì) MIMO 檢測(cè)器的最終 BER 性能產(chǎn)生巨大影響。信道矩陣預(yù)處理可繁可簡(jiǎn)，比如根據(jù)對(duì)信道矩陣進(jìn)行的方差計(jì)算結(jié)果 (variance computaTION)，計(jì)算出處理空分復(fù)用數(shù)據(jù)流的優(yōu)先次序，也可以使用非常復(fù)雜的矩陣因子分解方法來(lái)確定更為理想（以 BER 衡量）的數(shù)據(jù)流處理優(yōu)先次序。

　　Signum Concepts 是一家總部位于圣地亞哥的通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)公司，一直與賽靈思和萊斯大學(xué)（Rice University）開(kāi)展通力合作，運(yùn)用 FPGA 設(shè)計(jì)出了用于 802.16e 寬帶無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的空分復(fù)用MIMO 的MIMO 檢測(cè)器。該處理器采用信道矩陣預(yù)處理器，實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí) (BLAST)結(jié)構(gòu)上采用的連續(xù)干擾抵消處理技術(shù)，最終達(dá)到了接近最大似然性能。

　　系統(tǒng)考慮因素

　　理想情況下，檢測(cè)過(guò)程要求對(duì)所有可能的符號(hào)向量組合進(jìn)行 ML 解決方案計(jì)算。球形檢測(cè)器旨在通過(guò)使用簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算降低計(jì)算復(fù)雜性，同時(shí)還能夠保持最終結(jié)果的數(shù)值完整性。我們的方法，第一步是把復(fù)雜的數(shù)值信道矩陣分解為只有實(shí)數(shù)的表達(dá)式。這個(gè)運(yùn)算增加了矩陣維數(shù)，但簡(jiǎn)化了處理矩陣元的計(jì)算。降低計(jì)算復(fù)雜性的第二個(gè)方面體現(xiàn)在，減少檢測(cè)方案分析和處理的可選符號(hào)。其中，對(duì)信道矩陣進(jìn)行 QR 分解是至關(guān)重要的一步。

　　圖 1 顯示的是如何進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，得出計(jì)算部分歐幾里德距離度量法的最終表達(dá)式。歐幾里德距離度量法是球形檢測(cè)過(guò)程的基礎(chǔ)。R代表三角形矩陣，用于處理以矩陣元 rM,M 開(kāi)始的可選符號(hào)的迭代法。其中，M代表信道矩陣以實(shí)數(shù)表達(dá)的維數(shù)。該解決方案通過(guò) M 次迭代定義出遍歷樹(shù)結(jié)構(gòu)，樹(shù)的每層i對(duì)應(yīng)第i根天線(xiàn)的處理符號(hào)。

圖 1. 用于球形檢測(cè)器 MIMO 檢測(cè)的部分歐幾里德距離度量方程

　　球形檢測(cè)器處理天線(xiàn)的次序?qū)?BER 性能有著極大的影響。因此，在進(jìn)行球形檢測(cè)前，我們的設(shè)計(jì)采用了類(lèi)似于 V-BLAST 技術(shù)的信道重新排序技術(shù)。

　　實(shí)現(xiàn)樹(shù)的遍歷有幾種可選方法。在我們的實(shí)施方案中，則使用了廣度優(yōu)先搜索法，這是因?yàn)樵摲椒ú捎脗涫軞g迎的前饋結(jié)構(gòu)，因此具有硬件友好特征。在每一層，該實(shí)施方案只選擇K 個(gè)距離最小的幸存節(jié)點(diǎn)來(lái)計(jì)算擴(kuò)展情況。

　　球形檢測(cè)器處理天線(xiàn)的次序?qū)?BER 性能有著極大的影響。因此，在進(jìn)行球形檢測(cè)前，我們的設(shè)計(jì)采用了類(lèi)似于 V-BLAST 技術(shù)的信道重新排序技術(shù)。

　　該方法通過(guò)多次迭代，計(jì)算出信道矩陣的偽逆矩陣的行范數(shù)，然后確定信道矩陣最佳列檢測(cè)次序。根據(jù)迭代次數(shù)，該方法可以選擇出范數(shù)最大或者最小的行。歐幾里德范數(shù)最小的逆矩陣行表示天線(xiàn)的影響最強(qiáng)，而歐幾里德范數(shù)最大的行則表示天線(xiàn)的影響最弱。這種新穎的方法首先處理最弱的數(shù)據(jù)流，隨后依次迭代處理功率從高到低的數(shù)據(jù)流。