（通信与信息系统专业论文）mimo检测算法分析及其fpga实现.pdf

： 舞 ；：、； ”l 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 二盆翊萄日期：丝鱼：兰：宰 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：三蝴一= 一 一 日期：垄彰五j 笠一 导师签名： 痊量竿 日期： 趁l 乜：雏 l m i m o 检测算法分析及其f p g a 实现 摘要 随着移动通信用户数量的急剧增加和宽带多媒体业务的迅速发 展，人们对移动通信系统的传输速率和性能提出了越来越高的要求， 业界也针对此需求开展了广泛的研究。在频谱资源日趋紧张的今天， m i m o 技术因其能够大幅提高无线通信系统的频谱效率而备受关注， 被公认为是无线通信技术的未来发展趋势，其中v b l a s t 结构是一 种被广泛使用并证明具有良好容量增益的多天线空间复用策略。 本文首先分析了v b l a s t 结构下的几种经典的多天线检测算 法，包括g o l d e nz f - s i c ，和基于g r e v i l l e 分解的三种次优算法，并对 它们进行了性能仿真和复杂度分析比较。其中重点分析了基于q r 分 解的快速v b l a s t 排序检测算法，该算法与传统g o l d e nz f - s i c 性能 等价复杂度更低。它通过一种新的排序方案避免了传统g o l d e n z f s i c 所必需的迭代求伪逆过程，实现了低复杂度同时保持了传统 g o l d e nz f s i c 算法的性能。该算法已经在项目组所研发的g b p s 无线 传输演示系统中实现。 作者在攻读硕士研究生期间参与了g b p s 无线传输演示系统的开 发，主要负责m i m o 检测算法的硬件实现。该项任务分为系统设计和 算法逻辑实现两个部分： 1 根据g b p s 系统设计指标，参与确定无线接口的各项参数。并根 据该参数设计了接收端的硬件总体架构，同时还完成了m i m o 检测模 块与前后级的接口协议设计。 2 算法逻辑实现部分，对m i m o 算法的逻辑实现设计了一种有效 地、低资源消耗的f p g a 架构，包括逻辑实现流程、流水线设计和定 点化方案设计。同时，为了提高f p g a 实现中除法器性能，提出一种 新型的除法器实现方案一多查找表方案。该f p g a 架构通过m a t l a b 仿真与硬件调试验证，具有良好性能。该架构最终应用于g b p s 系统中， 实现了高于1 g b p s 的吞吐量。 关键词：m i m o ，o r ，g b p s ，f p g a 2 a n a iy s i so fm i m od e t e c t i o na l g o r i t h m a n di t sf p g ai m p l e m e n t a t i o n a b s t r a c t d u et ot h ed r a m a t i cm c m a i nt h en u m b e ro fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nu s e r sa n d t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fb r o a d b a n dm u l t i m e d i as e r v i c e s , t h ed e m a n df o r t r a n s m i s s i o nr a t ea n dp e r f o r m a n c eo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e c o m e s i n c r e a s i n g l yh i g h ，a n de x t e n s i v er e s e a r c hh a sb e e nc o n d u c t e df o rt h i sp r o b l e m a s t h eg r o w i n gt e n s i o no fs p e c t r u mr e s o u r c e s ，m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) i sr e c o g n i z e da st h et e c h n o l o g yf i e n d so f w i r e l e s sc o m m u m c a t m nb e c a u s e o fi t sa b i l i t yt o s u b s t a n t i a l l yi n c r e a s et h es p e c t r a le f f i c i e n c y a m o n gt h ev a r i o u s m i m oa r c h i t e c t u r e s ，v b l a s ti saw i d e l yu s e dm u l t i p l e x i n gs t r a t e g yw i t h d e m o n s t r a t e dc a p a c i t yg a i n t h i sp a p e r f i r s t l yi n t r o d u c e ss o m ec l a s s i c a lm i m od e t e c t i o na l g o r i t h m su n d e r v - b l a s ta r c h i t e c t u r e ，i n c l u d i n gt r a d i t i o n a lg o l d e na l g o r i t h ma n ds e c o n d a r y a l g o r i t h mb a s e do ng r e v i l l ed e c o m p o s i t i o n ，c o m p a r e st h e i rp e r f o r m a n c ea n d c o m p l e x i t y t h e ni tg i v e sd e t a i l e da n a l y s i sf o rf a s to r d e r i n gv - b l a s td e t e c t i o n a l g o r i t h mb a s e do nq rd e c o m p o s i t i o n t h i sa l g o r i t h ma v o i d s t h ei t e r a t i o nf o r p s e u d oi n v e r s ew h i c hi sn e c e s s a r yf o rt r a d i t i o n a ld e t e c t i o na l g o r i t h m sb yan e w o r d e r i n gs c h e m e ，a n dr e a l i z e st h es a m ep e r f o r m a n c ea sg o l d e na l g o r i t h mw h i l e d e c r e a s i n gi t sc o m p l e x i t yg r e a t l y t h i sa l g o r i t h mh a sb e e nu t i l i z e di nt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nd e m os y s t e md e v e l o p e db ya u t h o r sr & dt e a mw h o s ep e a k t r a n s m i s s i o nr a t er e a c h e s1 g b p s t h ea u t h o rt o o kc h a r g ei nt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fm i m od e t e c t i o n a l g o r i t h mi ng b p ss y s t e m t h em a i nc o n t r i b u t i o nc a l lb ed i v i d e di n t o2p a r t s ，w h i c h 3 砒c ： 1 s y s t e md e s i g n a c c o r d i n gt ot h et a r g e to fs y s t e md e s i g n ，d e f i n et h es y s t e mp a r a m e t e r sf o r w i r e l e s si n t e r f a c e ；p r o p o s et h eo v e r a l lh a r d w a r ef r a m e w o r kf o rr e c e i v e ra n dd e s i g n t h ep r o t o c o lf o rt h ei n t e r f a c e so fm i m od e t e c t i o nm o d u l e 2 a l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o n a ne f f e c t i v ea n dr e s o u r c e s a v i n gf p g aa r c h i t e c t u r ef o rt h i s a l g o r i t h mi s p r o p o s e d ，i n c l u d i n gl o g i ci m p l e m e n t a t i o n ，p i p e l i n ed e s i g n ，a n df i x e dp o i n t p r o g r a m m i n g an o v e lm e t h o do fl u td i v i s i o nd e s i g n , “m u l t i l u t s ”s t r a t e g y ，i s p r o p o s e dt oi n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo fl u t d i v i d e r m a t l a bs i m u l a t i o na n d h a r d w a r ed a t aa r ep r e s e n t e dt ov a l i d a t et h ea r c h i t e c t u r e ，w h i c ha c h i e v e sf i x e da n d l i i g ht h r o u g h p u t ( 1 g b p sa sp e a kr a t e ) i nr e a l t i m es y s t e m k e y w o r d s ：m i m o ，q r ，g b p s ，f p g a 4 目录 第一章绪论1 1 1m i m o 技术概论1 1 1 1 概i 2 睦1 1 1 2m i m o 系统模型。1 1 1 3 空时码3 1 2 现场可编程逻辑阵列3 1 2 】【f p g a 二孑c p l d 3 1 2 2f p g a 的应用。4 1 3 项目背景5 1 4 论文结构6 第二章m i m o 检测算法分析7 2 1 分层空时码7 2 1 i 水平分层空时码。8 2 1 2 对角分层空时码8 2 1 3 垂直分层空时码。9 2 2 均衡方式的选择1 0 2 2 1z f 和m m s e 迫零向量的推导1 0 2 2 2 仿真结果分析1 1 2 3 多天线检测算法的基础及其变种的概述1 2 2 4 传统g o l d e n 检测算法与其次优算法的分析1 4 2 4 1 各种译码算法的介绍1 5 2 4 2 上述各种译码算法的比较1 8 2 4 3 仿真结果及其说明1 9 2 5 基于q r 分解的快速v - b l a s t 排序检测算法。2 0 2 5 1 算法描述2 0 2 5 2 证明基于q r 分解的快速v - b l a s t 排序检测算法2 1 2 5 3 复杂度分析2 2 2 6 软解调模块说明2 3 2 6 1 系统模型。2 3 2 6 2 软判决方案介绍。2 3 2 6 2 1 求解u 且的流程2 3 2 6 2 2 简化的u 且计算2 4 2 7 本章总结2 6 第三章 g b p s 系统接收端硬件架构及接口设计2 7 3 1g b p s 系统物理层模型2 7 3 2g b p s 无线传输演示系统参数介绍2 8 3 2 1 系统设计目标2 8 3 2 2 帧结构设计方案2 8 5 3 3 接收端硬件整体架构2 9 3 3 1 信号处理板结构和功能分类2 9 3 3 2 基带处理板架构设计2 9 3 4 模块间接口设计3 2 3 4 1a u r o r a 协议。3 2 3 4 1 1a u r o r a 模块的工作原理3 2 3 4 1 2a u r o r a 模块的仿真验证3 4 3 4 2 多天线板与基带处理板的接口设计3 7 3 4 3n s 接口标准。4 1 3 4 4 软解套模块与l d p c 译码的接口设计4 1 3 5 本章总结。4 3 第四章快速v - b l a s t 排序检测算法的f p g a 实现4 4 4 1 算法的逻辑实现4 4 4 1 1 迫零模块。4 4 4 1 2 串行干扰删除模块4 6 4 1 3 占用资源统计4 6 4 2 算法的流水段设计4 7 4 3 定点化方案4 8 4 4 动态多查找表方案4 9 4 4 1 除法器实现方案介绍4 9 4 4 2 嵌套星座图问题及其解决方案。5 0 4 5 仿真结果5 2 第五章总结与展望5 4 参考文献5 5 致谢。5 7 6 1 1m i m o 技术概论 第一章绪论 多入多出( m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) - 技术是无线移动通信 领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通 信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。 1 1 1 概述 多输入多输出( m i m o ) 技术由来已久，早在1 9 0 8 年m a r c o n i 就提出用它来 抵抗衰落对无线信号的影响。在7 0 年代有人提出将多入多出技术用于通信系 统，但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是9 0 年代由a t & tb e l l 实验室学者完成的。1 9 9 5 年t e l a d a r 给出了在衰落情况下的 m i m o 容量；1 9 9 6 年f o s h i n i a 给出了一种多入多出处理算法对角贝尔实 验室分层空时( d b l a s t ) 算法【1 】；1 9 9 8 年t a r o l d a 等讨论了用于多入多出的空时 码；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直贝尔实验室分层空时( v - b l a s t ) 算法建 立了一个m i m o 实验系统，在室内试验中达到了2 0b i t s h z 以上的频谱利用率， 这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意， 并使得多入多出的研究工作得到了迅速发展。 简而言之，m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统就是利用多天线来 抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u t s i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o 还可以包括s l m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统 和m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统。以上都可以视为m i m o 的特殊情 况。 1 1 2m i m o 系统模型 通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于 m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发射端 和接收端均采用多天线( 或数组天线) 和多信道。图1 1 所示为m i m o 系统的原 理图。传输信息流x 经过空时编码形成个信息子流以，k - 1 ，2 ，n 。这 个子流由个天线发射出去，经空间通道由m 个接收天线接收。多天线接收 机利用先进的空时编码处理能够分开并译码这些数据子流，从而实现最佳的处 理。 特别的是，这个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而 并未增加带宽。若各发射接收天线间的信道响应独立，则多入多出系统可以创 造多个并行空间通道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据传输率必 然可以提高。 m i m o 将多径无线通道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高 的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对 消处理。 空时编码空时译码 图1 - 1m l m 0 系统模型 假设用x 来表示发送向量，大小为n x l ，用y 表示接收向量，大小为m 1 ， 用h 来表示信道冲击响应矩阵，大小为m ，用n 表示高斯白噪声，大小为 肘l ，可以建立一个如下的数学模型： y 一点& + ( 1 - 1 ) 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，它表示了通信系统最大传输 速率。m i m o 技术的关键就在于，使用多天线的收发系统，实际上是增大了传 送数据的信道的数量，从而提高了整个系统的信道容量。 理想的m i m o 系统中，信道容量随着天线数量的增大而线性增大。这为利 用m i m o 通道成倍地提高无线信道容量提供了可能性。从而使得在不增加带宽 和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。同时，利用m i m o 也 可以提高通道的可靠性，降低误码率。 近来提出的空时码是有效的提高无线通道频谱利用率的重要方案之一。目 前，空时码技术主要可以分为以下两大类：一是基于发射分集的空时格码 ( s t r c ) 和空时分组码( s t b c ) 【2 】，二是基于空分复用分层空时码( l s t ) 。 前者用来提高分集增益( d i v e r s i t yg a i n ) ，实际上是为了提高通信的可靠性； 后者用来提高空分复用增益( s p a c em u l t i p l e x i n gg a i n ) ，实际是为了提高通信 的有效性。 在空时码的研究中，一方面，a t & t 的t a r o k h 等人总结了前人关于发射 分集的研究，并且在基于发射分集的空时码的研究上做了一些开创性的工作； 另一方面，b e r k e l e y 的d a s h a hs h i u 、j o s e p hm k a h n 和b e l l 的g d g o l d e n 、 2 f o s c h i n i 等在分层空时码上做了很多工作。所有的分析和仿真表明，上述两种 空时码的频带利用率能够达到2 0 4 0 b p s h z 。由此可以预料，应用空时码的未 来移动通信系统将具有更大的系统容量，更好的通信质量，更高的频带利用率。 1 1 3 空时码 m i m o 系统的发送和接收方案，通常被成为空时编 i 马( s p a c e t i m ec o d i n g ) 。 空时码是有效的提高无线通道频谱利用率的重要方案之一。目前，空时码技术 主要可以分为以下两大类：一是基于发射分集的空时格码( s t t c ) 和空时分 组码( s t b c ) ，二是基于空分复用分层空时码( l s t ) 。前者用来提高分集增 益( d i v e r s i t yg a i n ) ，实际上是为了提高通信的可靠性；后者用来提高空分复 用增益( s p a c em u l t i p l e x i n gg a i n ) ，实际是为了提高通信的有效性。 在空时码的研究中，一方面，a t & t 的t a r o k h 等人总结了前人关于发射 分集的研究，并且在基于发射分集的空时码的研究上做了一些开创性的工作； 另一方面，b e r k e l e y 的d a s h a l ls h i u 、j o s e p hm k a h n 和b e l l 的g d g o l d e n 、 f o s c h i n i 等在分层空时码上做了很多工作。所有的分析和仿真表明，上述两种 空时码的频带利用率能够达到2 0 - - - 4 0 b p s h z 。由此可以预料，应用空时码的未 来移动通信系统将具有更大的系统容量，更好的通信质量，更高的频带利用率。 1 2 现场可编程逻辑阵列 1 2 1f p g a 与c p l d 现场可编程门阵? f j ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，即f p g a ) ，是在p a l 、 址、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电 路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又 克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 目前以硬件描述语言( v e r i l o g 或v h d l ) 所完成的电路设计，可以经过 简单的综合与布局，快速的烧录至f p g a 上进行测试，是现代l c 设计验证 的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路( 比如 a n d 、0 r 、x o r 、n o t ) 或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程 式。在大多数的f p g a 里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器 ( f l i p - - f l o p ) 或者其他更加完整的记忆块。 系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把f p g a 内部的逻辑块连接起 3 来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品f p g a 的 逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以f p g a 可以完成所需要的逻辑功 能。 f p g a 一般来说比a s i c ( 专用集成芯片) 的速度要慢，无法完成复杂的设 计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以 被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编 辑能力差的f p g a 。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开 发是在普通的f p g a 上完成的，然后将设计转移到一个类似于a s i c 的芯片上。 另外一种方法是用c p l d ( 复杂可编程逻辑器件备) 。 早在1 9 8 0 年代中期，f p g a 已经在p l d 设备中扎根。c p l d 和f p g a 包 括了一些相对大数量的可以编辑逻辑单元。c p l d 逻辑门的密度在几千到几万 个逻辑单元之间，而f p g a 通常是在几万到几百万。 c p l d 和f p g a 的主要区别是他们的系统结构。c p l d 是一个有点限制性 的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少 量的锁定的寄存器。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟 时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而f p g a 却是有很多的连接单元， 这样虽然让它可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。 c p l d 和f p g a 另外一个区别是大多数的f p g a 含有高层次的内置模块( 比 如加法器和乘法器) 和内置的记忆体。一个因此有关的重要区别是很多新的 f p g a 支持完全的或者部分的系统内重新配置。允许他们的设计随着系统升级 或者动态重新配置而改变。一些f p g a 可以让设备的一部分重新编辑而其他部 分继续正常运行。 1 2 2f p g a 的应用 f p g a 的应用可分为三个层面：电路设计，产品设计，系统设计。最早的 f p g a 的应用领域基本限于通信设备中。 1 电路设计中f p g a 的应用 连接逻辑，控制逻辑是f p g a 早期发挥作用比较大的领域也是f p g a 应用 的基石。 2 产品设计 把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯，视频，信息处理等等，开 发出满足行业需要并能被行业客户接受的产品。 3 系统级应用 4 系统级的应用是f p g a 与传统的计算机技术结合，实现一种f p g a 版的计 算机系统如用x i l i n xv i r t e x - 4 ，v i r t e x 5 系列的f p g a ，实现内嵌p o w e r p c , 然 后再配合各种外围功能，实现一个基本环境。 而如今f p g a 得产品的应用领域已经从原来的通信扩展到了消费电子，工 业控制，测试测量等广泛领域。而应用的变化也使f p g a 产品近几年的演进趋 势越来越明显：一方面，f p g a 供应商致力于采用当前最先进的工艺来提升产 品性能，降低产品的成本；另一方面，越来越多的通用i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ) 或客户定制的p 被引入f p g a 中，以满足客户产品快速上市的要求。此外， f p g a 企业都在大力降低产品的功耗，满足业界越来越苛刻的低功耗要求。 2 0 0 1 年之后，f p g a 产品加快了从一个工艺节点向更先进工艺节点迈进的 步伐，从1 5 0 r i m 、1 3 0 r i m 跃进到9 0 r i m 。之后在2 0 0 6 年，6 5 r i m 工艺又在第一 时间被引入。时至今日，两大主流f p g a 企业的6 5 r i m 已经获得了大量应用。 其中，赛灵思公司的6 5 r i m 产品集中在其高端系列v i r m x ( r ) 5 上，并已发展到 了4 个系列1 5 个平台；而a l t e r a 公司的6 5 n m 产品涵盖中低端c y c l o n e ( r ) 系列 和高端产s t r a t i x ( r ) 系列。 采用6 5 r i m 工艺技术，使f p g a 产品的性能再次获得了飞跃，成本和功耗 也大幅降低。例如，赛灵思公司就介绍说，他们6 5 n m 工艺的f p g a 与9 0 n m 产品相比，速度平均提高了3 0 ，容量增加了6 5 ，与此同时，动态功耗降低 了3 5 ，静态功耗保持相同的低水平，而芯片使用面积减少了4 5 。a l t e r a 采 用6 5 n m 工艺的c y c l o n e ( r ) i i l 系列比前一代产品每逻辑单元成本降低2 0 ，含 有2 8 8 个数字信号处理( d s p ) 乘法器，存储器达到4 m b ，它使设计人员能够更 多地在成本敏感的应用中使用f p g a 。 在g b p s 无线传输技术中研究小组最终决定采用v i r t e x 5 系列的s x 9 5 t 型 号f p g a 。该系列的最大的特点是片上嵌有大量的d s p 4 8 e 资源，非常适用于 包含大量乘加运算的m i m o 检测算法的逻辑实现。 1 3 项目背景 北京邮电大学无线新技术研究所与2 0 0 6 2 0 0 7 年间开发了中国第一套 b 3 g - t d d 的无线通信演示系统，实现了峰值l o o m b p s 的无线传输。之后于2 0 0 7 年至2 0 0 9 年，无线新技术研究所承担了国家8 6 3 项目“g b p s 无线传输技术与 应用 ，该项目目标为在b 3 g 系统的已有成果的基础上，开发中国第一套峰 值传送速率能够达到1 g b p s 的t d d m i m o o f d m 的无线通信演示系统。该系 统采用1 2 2 8 8 m 作为系统时钟，核心物理层的信号处理模块( 包括发送端，同 步，信道估计，m i m o 检测，l d p c 译码等) 均使用x i l i n xv i r t e x 5 系列f p g a 5 实现。 截止本文完成之时，g b p s 系统已经完成并验收。 本文所描述的工作全部基于g b p s 系统开发的过程。并将对m i m o 检测算 法的分析和实现做出深入的分析。 该系统的m i m o 检测部分实现了基于q r 分解的快速检测算法。本文对该 算法提出一种有效的f p g a 架构，包括逻辑实现过程，以及流水段设计。该架 构可以为其他的m i m o 接收机的硬件实现提供参考。此外本文还提出了一种特 别的除法器实现方案：多查找表模式。该方案在解决定点化产生的“小星座图 问题 的同时在一定程度上保证了性能。 1 4 论文结构 本文后续的论述主要分为三个部分 第一部分，本文会对m i m o 检测算法相关的理论基础进行分析。这部分的 内容首先以对空时编码的介绍开始，着重讲述贝尔实验室分层空时码的原理。 之后将通过理论分析和仿真确定迫零的方案。这部分的最后将对传统的g o l d e n 算法，基于g r e v i l l e 分解的次优1 ，2 ，3 算法，和本文重点讨论的基于q r 分 解的快速v b l a s t 排序m i m o 检测算法进行性能和复杂度的分析对比。 第二部分将偏重于g b p s 无线通信演示系统的系统设计部分。首先阐述系 统参数的相关内容，主要包括帧结构和导频设计。之后给出物理层链路接收端 的硬件整体架构。这一章的最后将着重讨论基带信号处理板上的“m i m o 检测 + 软解调”f p g a 与前后级的接口设计，包括与前级( 信道估计与同步) 的a u r o r a 接口，以及与后级( l d p c 译码) 的l v d s 接口。 第三部分将详细阐述基于q r 分解的快速v b l a s t 排序算法在g b p s 无线 传输演示系统中的f p g a 算法实现。首先会根据第一部分的算法介绍，设计 f p g a 内部的逻辑实现流程。之后再根据第二部分的导频设计和相关理论进行 算法的流水段设计。最后将给出f p g a 内部实现的定点化方案。并结合实际调 试经验，提出一种“多查找表 的除法器设计。最终将给出定点化方案的仿真 结果。 6 第二章m i m o 检测算法分析 对于g b p s 无线通信演示系统来说，选取一种性能良好且复杂度适中的 m i m o 检测算法尤为重要。本章将对m i m o 检测算法的进行理论层面的分析， 涉及的内容包括分层空时码的介绍，迫零方案的选择( 迫零或最小均方误差) ， 和各种具有代表性的检测算法的分析。这些算法包括传统的排序迫零干扰删除 ( 简称为传统的g o l d e n 算法) ，基于g r e v i l l e 分解的3 种次优算法。 g b p s 无线通信演示系统最终采用的基于q r 分解的快速v b l a s t 排序检 测算法。本章将着重分析该算法，并详细解释最终在实际系统中采用该算法的 原因。最后还将对软解调部分进行简要的说明。 2 1 分层空时码 空时码技术主要可以分为以下两大类：一是基于发射分集的空时格码 ( s t r c ) 和空时分组码( s t b c ) ，二是基于空分复用分层空时码( l s t ) 。前 者用来提高分集增益( d i v e r s i t yg a i n ) ，实际上是为了提高通信的可靠性；后者用 来提高空分复用增益( s p a c em u l t i p l e x i n gg a i n ) ，实际是为了提高通信的有效性。 g b p s 系统在设计的过程中更希望通过m i m o 实现吞吐量的大幅度提升， 对可靠性的需求主要通过高性能的l d p c 编译码来实现。所以最终采用的 m i m o 空时编码方案正是分层空时码，而不是空时分组码。所以在本节中将着 重讨论l s t 的内容。 空间复用技术就是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中 的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道( m i m o 信道) 发射信号，从而 使得容量随着天线数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额 外的带宽也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量一种非 常有效的手段。空间复用是目前针对m i m o 信道典型的又一发射方案。 f o s c h i n i 等人首先提出了可应用于m i m o 信道的一种空时结构以及相应的 重建算法。这种空间分集的传输方式称为b l a s t ( b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e l 。在空间复用的传输中，输入的数据流首先串并转换为若干个数据流， 然后按照一定的规则( 有的方案可能还进行编码) 送到n 副天线上发送，在接收 端每副接收天线得到发送信号的叠加，接收机需要消除m i m o 信道的混合效 果，从而分离出各个数据流以恢复原始数据流。接收机分离各个数据流时可采 用不同的算法。 b l a s t 编码有四种编码方案：d b l a s t 、v b l a s t ，t b l a s t 和 7 x 。匿萋萋委；】 c 2 1 ， x _ 毫】 ( 2 2 ) 2 1 1 水平分层空时码 h b l a s t ( h 即h o r i z o n a l ，水平) 编码器接收从并行信道编码器的输出， 按水平方向进行空间编码，即每个信道编码器编码后的码元直接送对应的天线 ( 信道编码器与天线是一一对应的) 发送出去，其原理如下所示( 为了简化，在 此假设发端有3 根天线) ： f 写吒1e 1 x = i # 巧2 i ( 2 3 ) l # 习i 其结构示意图如下所示： 倍源数据 - 4 ，| f f t |il 帛 i f f t |并 l d p c 编码交织 1 6 q a m 调制 变 一i f f t | 换 - qi f f t | 2 1 2 对角分层空时码 图2 1h b l a s t 结构示意图 d b l a s t ( d 表示d i a g n 0 1 ) 编码器接收从并行信道编码器的输出，按对 8 【喜考茎差量萎；1 呻 喜喜萋薹薹薹；l c 2 4 ) 第i 路编码调制后的输出延迟i - 1 个符号时间，每一个时刻三个编码调制 器的输出都在一个对角线上。让以上数据再经过一个交织器，让第一个天线发 送第一个对角线的数据，第2 根发送第2 根对角线的数据，第3 根发送第3 根 对角线的数据。依此类推，第i 根天线将发送第i + o 一1 ) 根对角线的数据。 d b l a s t 相对于h b l a s t 引入了空间的分集，因此，它比前者拥有更好 的性能。 但是也必须注意到在d b l a s t 中，由于传输矩阵的左侧有一部分被填0 ， 所以频带利用率因此会有一定的损失。 t - b l a s t 结构( t 表示t h r e a d e d ) 通过带有循环移位特性的符号交织器对 h b l a s t 进行改进，其原理如下： f 巧1 五e 甄1 1i 甄1 。1 l 吒2 茸颤2 l _ i # 吒1 霉。i ( 2 5 ) l 葺乏霹ii 葺x 2 霉。i 各路调制后的输出经过一个交织器，这个交织器所做的工作就是把每一个时 刻三路的数据重新排列，再送到3 根发送天线上发送出去。排列的方式就是按照 一定的规则在垂直的方向上对这三路数据进行循环移位，其规则如下： 一 。一，i 7 ； ( f + f 一2 ) m 耐】+ 1 ( 2 6 ) 2 1 3 垂直分层空时码 v b l a s t 结构( v 表示v e r t i c a l ) 的应用较为广泛，它将编码器的输出 按照垂直的方向进行编码，其结构如下所示： 睡到 ( 2 7 ) 但没有传 图2 2d - b l a s t , t - b l a s t , v - b l a s t 结构示意图 可见，d b l a s t , t - b l a s t , v - b l a s t 都是对多路编码调制后的信号进行交织 的处理，只是交织处理的方式不尽相同。 本章将详细分析关于v - b l a s t 的接受端均衡的策略和译码的算法。 2 2 均衡方式的选择 谈及m i m o 检测算法，均衡方式的选择就成为一个必须要考虑的问题。本 节将通过理论推导以及仿真来比较迫零均衡和最小均方误差的性能和复杂度 差异。并给出最终选择迫零均衡的依据。 2 2 1z f 和m m s e 迫零向量的推导 常用的两种均衡方式包括迫零( z e r of o r c i n g , 简写为z f ) 和最小均方误差 ( m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r ，简写为m m s e ) 对于b l a s t 码而言接收端只能利用信道信息和接收到的信号来检测信 号。因此不论是z f 算法还是基于m m s e 的检测算法它们需要解决的根本问 题就是如何根据接收信号和信道特性矩阵来确定每根接收天线的迫零向量，以 便根据该向量估计发送信号。这两种算法的区别在于迫零向量选取规则不同。 设接收端关于所有个发送信号形成的权向量构成矩阵g 为： g - ( m 屹) t ( 2 8 ) 根据最小均方误差原则，矩阵g 的选择应使误差的均方值e 惟一 l | 2 最 小。 设各发射信号之间相互独立，则有： e ( 肛h ) 一 ( 2 9 ) 1 0 e ( x n h ) 一o ( 2 1 0 ) 由e 肛c r l l 2 ) = e ( 工一g ，) ( z g ，) h ) ，得： e 肛一g ，| | 2 ) 。