在FPGA中實施4G無線球形檢測器的方案

　　WiMAX 對寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入如同手機對語音通信一樣意義非凡。它可以取代 DSL 和有線服務(wù)，為您隨時隨地提供互聯(lián)網(wǎng)接入。您只需要打開計算機，連接到最近的 WiMAX 天線，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程中多根天線的用法，即 MIMO 概念，又稱為多輸入多輸出，是移動 WiMAX 的一個關(guān)鍵特性。

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

　　MIMO 無線系統(tǒng)最佳硬判決檢測方式是最大似然 (ML) 檢測器。ML 檢測因為比特誤碼率 (BER)性能出眾，非常受歡迎。不過，直接實施的復(fù)雜性會隨著天線和調(diào)制方案的增加呈指數(shù)級增強，使 ASIC 或 FPGA 僅能用于使用少數(shù)天線的低密度調(diào)制方案。

　　在 MIMO 檢測中，既能保持與最佳 ML 檢測相媲美的 BER 性能，又能大幅降低計算復(fù)雜性的出色方法非球形檢測法莫屬。這種方法不僅能夠降低 SDM 和空分多接入系統(tǒng)的檢測復(fù)雜性，同時又能保持與最佳 ML 檢測相媲美的 BER 性能。實現(xiàn)球形檢測器有多種方法，每種方法又有多種不同算法，因此設(shè)計人員可以在諸如無線信道的吞吐量、BER 以及實施復(fù)雜性等多項性能指標(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 MIMO 檢測器的最終 BER 性顯而易見有極大的影響，不過一般在球形檢測之前進行的信道矩陣預(yù)處理也會對 MIMO 檢測器的最終 BER 性能產(chǎn)生巨大影響。信道矩陣預(yù)處理可繁可簡，比如根據(jù)對信道矩陣進行的方差計算結(jié)果 (variance computaTIon)，計算出處理空分復(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)開發(fā)公司，一直與賽靈思和萊斯大學(xué)（Rice University）開展通力合作，運用 FPGA 設(shè)計出了用于 802.16e 寬帶無線系統(tǒng)的空分復(fù)用MIMO 的MIMO 檢測器。該處理器采用信道矩陣預(yù)處理器，實現(xiàn)了類似貝爾實驗室分層空時 (BLAST)結(jié)構(gòu)上采用的連續(xù)干擾抵消處理技術(shù)，最終達到了接近最大似然性能。

　　系統(tǒng)考慮因素

　　理想情況下，檢測過程要求對所有可能的符號向量組合進行 ML 解決方案計算。球形檢測器旨在通過使用簡單的算術(shù)運算降低計算復(fù)雜性，同時還能夠保持最終結(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數(shù)的表達式。這個運算增加了矩陣維數(shù)，但簡化了處理矩陣元的計算。降低計算復(fù)雜性的第二個方面體現(xiàn)在，減少檢測方案分析和處理的可選符號。其中，對信道矩陣進行 QR 分解是至關(guān)重要的一步。

　　圖 1 顯示的是如何進行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，得出計算部分歐幾里德距離度量法的最終表達式。歐幾里德距離度量法是球形檢測過程的基礎(chǔ)。R代表三角形矩陣，用于處理以矩陣元 rM,M 開始的可選符號的迭代法。其中，M代表信道矩陣以實數(shù)表達的維數(shù)。該解決方案通過 M 次迭代定義出遍歷樹結(jié)構(gòu)，樹的每層i對應(yīng)第i根天線的處理符號。

圖 1. 用于球形檢測器 MIMO 檢測的部分歐幾里德距離度量方程

　　球形檢測器處理天線的次序?qū)?BER 性能有著極大的影響。因此，在進行球形檢測前，我們的設(shè)計采用了類似于 V-BLAST 技術(shù)的信道重新排序技術(shù)。

　　實現(xiàn)樹的遍歷有幾種可選方法。在我們的實施方案中，則使用了廣度優(yōu)先搜索法，這是因為該方法采用備受歡迎的前饋結(jié)構(gòu)，因此具有硬件友好特征。在每一層，該實施方案只選擇K 個距離最小的幸存節(jié)點來計算擴展情況。

　　球形檢測器處理天線的次序?qū)?BER 性能有著極大的影響。因此，在進行球形檢測前，我們的設(shè)計采用了類似于 V-BLAST 技術(shù)的信道重新排序技術(shù)。

　　該方法通過多次迭代，計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的影響最強，而歐幾里德范數(shù)最大的行則表示天線的影響最弱。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。