MIMO与OFDM技术架构的原理

MIMO 与 OFDM 技术架构的原理 2008 7 4 14 13 本文关键字 无线通信1 4G2 WIMAX7 LTE15 UMB2 WiBro1 PHS2 MIMO14 IP2 互联网1 DSP3 天线9 SDMA1 TDD13 3GPP2 CCSA1 大唐移动2 中国移动2 中兴1 华为1 鼎桥1 FDD12 OFDM8 宽带1 网络1 CDMA1 WIFI1 FDMA5 电池1 手 机1 基站1 虽然无线通信技术一直都在不断 发展 但当前却处于一个前所未有 的变革期 新兴的4G空中接口如 WiMAX LTE UMB 802 20 Wi BRO以及下一代PHS等等都有一个 共同的特点 即都是基于正交频分 多址接入 OFDMA 都采用 MIMO 多入多出 技术 都具有 扁 平化架构 且均基于IP 互联网协议 本文将主要关注软件定义下 灵活 的 OFDMA 和 MIMO 架构 简要讨论在 WiMAX 和 LTE 中使用 MIMO 全 IP 虽然也受到关注 但 不在本文讨论范围 然后介绍如 何实现 OFDMA 核心DSP算法及 LTE 上行链路使用的新型变量 MIMO 可以使用几种不同的形式 以 WiMAX 下行链路为例 有两种标准的 MIMO 模式 Matrix A 或者 STC 空时编码 以及 Matrix B STC 用两种不同的形式在两个传送天线上传送相同的信号 因此 数据率和 SISO 相比没有增加 但因为两种形式 s 和 s 是不同的 接收器有更大机会恢复数据 这样 对于给定的数据率它提高了稳定性和范围 如果在下行链路也采用这种技术 则符号率数据块不会受到影 响 发送的一个符号 不过现在有两个脉冲链馈送至两个天线 同时信息采用不同形式的调制方式 Matrix B 则相反 它传送两个不同的符号从而使数据率加倍 这里有两个脉冲链 对于两个天线 每个实际上都运行单独的符号而不是复制 符号率部分可以设计更为快速 然后将输出交替送到两个 TX 部分 在实际中 真正的系统同时支持两种模式 并根据用户选择 Matrix A 或 B 对状况好的用更快速 度传输 而对状况不好的就用 STC 这和多核架构非常匹配 如图 1 所示 两个独立的脉冲链馈送到两个天线上 同一个架构应用了两次 对于工程师非常简单 这一框图实际上会有些复杂 现实中很多系统将 MIMO 与空间技术如波束成形 调零控制 或者SDMA结合在一起 该设计有 8 个天线 每个 MIMO 通路配置了 4 个 每个都有独立的 操控权 2x2 MIMO 结构用于 8 天线下行链路 图 1 MIMO 下行链路系统 显示两个独立的脉冲链 该系统还包括波束成形 用于总共 8 个天线 在接收器端 信号处理更加复杂 因为 Matrix B 的峰值数据率更高 而且接收器要区分不同的信号 也要更为复杂 LTE TDD是 TD SCDMA 未来的演进技术 相关研究与标准化工作已在中国开始进行 LTE 系统要 求已由3GPP发布 主要参与机构包括中国通信标准化协会 CCSA 大唐移动 中国移动 中兴通讯 华为以 及鼎桥通信等 LTE TDD 原来有两类帧结构 第一类最初可同时用于FDD和 TDD 后来变为仅用于 FDD 每个无 线帧长度为 10 毫秒 包括 20 个 0 5 毫秒时段 两个连续的时段定义为一个子帧 在 TDD 中 子帧用 于下行链路或者上行链路传输 其中子帧 0 和 5 总是用于下行链路传输 子帧 2 仅适用于 TDD 且几乎与 TD SCDMA 结构一样 每个无线帧都有两个长度各为 5 毫秒的半帧 每个半帧包含 7 个时段 编号从 0 到 6 还有 3 个特殊字段 分别为 DwPTS GP 和 UpPTS 第二类帧结构由大唐移动提出 因为它与 TD SCDMA 更加兼容 所以一些特性和所定义的物理程序仍然继续适用 第一类帧结构 仅用于 FDD 第二类帧结构 仅用于 TDD 不过在中国移动的支持下 这两种类型在去年 11 月举行的 3GPP RAN1 会议上合并为一种结构 最 终的帧结构更类似于 FDD 结构 如下图所示 OFDM采用了大量空间结构紧凑的正交子载波 每个都具有传统的调制方案 如正交幅度调制 QAM 以及较低的符号率 使同样带宽下的数据率类似于传统单载波调制方案 OFDMA 则有所增强 可通过分 配特别的符号使多个用户共享信道 OFDM 相比于单载波方案最大的优势是可以应对多种信道状态而不需要复杂的均衡滤波器 如长距 离铜线的高频衰减 多通路造成的窄带干扰和频选衰减等 由于 OFDM 可以看作是使用很多慢调制窄带 信号而不是一个快速调制宽带信号 所以信道均衡可得以简化 较低的符号率也使得在符号之间应用防护 间隔更易于承受 可以处理时间分配并消除符号间干扰 ISI 来自市场的压力常常使供应商在标准还处于早期版本时就推出产品 所以他们必须要能用简单的软件 升级办法使产品灵活升级到最终版本 最好通过同一个可编程平台能支持不同的模式或不同的标准 例如 同时支持 LTE 与 WiMAX 以便在灵活的基于软件的引擎上高效实现面向硬件的算法 一个应用实例是 高性能 picoChip PC102 它将上市时间和软件开发环境的优点与算法内采用并行处理的好处结合在了一 起 目前大部分系统包括 WiMAX 和 LTE 下行链路 核心算法都是 FFT 快速傅里叶变换 但是 LTE 上 行链路需要用到 更复杂的 离散傅里叶变换 DFT FFT 只是离散傅里叶变换的一种有效实现方式 对于一个 N 点 DFT 直接实现所需要的乘法与加法 运算复杂度为 N2 数量级 而传统 FFT 需要的运算只有 N log2N 数量级 因此它是一个非常完美的例子 显示了这种聪明的算法如何得到不可思议的效率提高 FFT 的特性很多地方都有介绍 在本文网络版中也 有详细描述 picoChip PC102 是一种高性能针对无线应用进行了优化的多核 DSP 集成了超过 300 个处理器或 阵列元件 AE 每个都是传统的 16 位哈佛结构 DSP 带有本地存储器 标准 STAN2 AE 包括乘法累加 外围元件与特殊指令 对CDMA传播和解扩进行了优化 内存分为 512 字节代码和 256 字节数据 存储 器 MEM2 AE 有一个乘法单元和另外的存储器 存储器在代码和数据之间的分配是可配置的 picoArray 编程模型使其易于编译流水线结构 而这正是用于实现 FFT 的方法 表 1 给出了在 PC102 上实现 256 点 FFT 的性能概要 表中显示 256 点 FFT 所需要的资源其采样率复杂度在 10MSa s 和 80MSa s 之间 同时表中给出了在每个采样率上 PC102 可以执行的 FFT 最大数 表中显 示 一个 10MSa s 的 FFT 需要约 1 5 的资源 复合采样率 每个 FFT 所需要的阵列元件数量 总数百分比 AE 类型 最大 FFT 数 AE 总数百分比 复合采样率 每个 FFT 所需要的阵列元件数 量 总数百分比 AE 类型最大 FFT 数 AE 总数百分比 105 1 5 2 MEM 3 STAN 34 55 2011 3 6 3 MEM 8 STAN 22 79 4019 6 2 4 MEM 15 STAN 13 80 2 8048 15 6 20 MEM 24 STAN 4 ANY 3 47 表 1 在 picoArray 上进行 OFDMA 256 点 16 j16 FFT 所用到的资源 最大 FFT 数取决于可用的 MEM 类 AE 数量 图 2b 显示了如何将 构件模块 FFT 组合起来以得到更高输出率 显然并行结构非常适合于做这样的 事 与使用 OFDM WiFi 16d Flash OFDM 或 OFDMA WiMAX 16e 的标准相反 LTE 所选择的上 行传输方案是一个新变量 SC FDMA 单载波 FDMA 也称为 DFT 扩展 OFDM 它相比于传统 OFDMA 的优点是信号具有较低的峰值 均值功耗比 PAPR 原因是其本身的单载波结构 在上行链路这点特别重 要 此时较低的 PAPR 可在传输功效方面极大提高移动终端的性能 因此可延长电池使用寿命 正因为此 一些人称之为 鱼和熊掌兼得 即有单载波的低 PAPR 又有多载波的可靠性 虽然代价是数字处理复杂 度增加 图 3 是 SC FDMA 上行链路实现示意图 DFT 在 OFDM 调制器之前 它显示了与标准 OFDMA 相比 所增加的步骤 图 3 SC FDMA 或 DFT 扩展 OFDM 众所周知 如果变换的规模可以分解为较少 基本 数量 DFT 就可以有效执行 基本数越少 实现起 来越简单 经典 FFT 只使用一个基本数 2 LTE 里 DFT 预编码器的规模取决于分配给某个用户上行数据传输的子信道的数量 其中 N 是子载波的数量 当 N 0 对于给定用户 N 可以从 12 个符号 a b c 0 1 12 一个资源块 直到 1 296 个 共有 35 个不同的选择 这些符号 然后一起调制形成单载波上行链路 不过这只是发生在手机发射器端 而基站接收器要面对多个用户 每 一个都从这些选择中选取 因此所有可能的帧配置能够达到的排列总数为 531 783 569 个 这一灵活性 显然使接收 iDFT 变得更复杂 分解 iDFT 的技术称为 分割控制 基本原理和熟悉的 FFT 相同 但是长长的 iDFT 列表不能分解为 一个基本因数 相反 每个可分解为三个短的 iDFT 长度分别为 2 3 和 5 这些是 iDFT 引擎 这种 方法里 一些 iDFT 没有分解为基本因数 即 4 8 和 9 以便将最大流水线级数量减少到 3 其优点是 可以减少延迟 各级流水线都必须能够执行所有 35 种可能的 iDFT 功能 以及动态重配置功能 并避免在同一时刻 不同长度 iDFT 流造成流水线出现问题 最简单的结构用于重新配置以及级缓冲器对 A B 和 C 这些都 可作为执行所有 6 个 iDFT 引擎同样功能模块的实例 如果是 1 点 iDFT 则为 7 也就是不改变直接通过 更加优化的方案也承认只有一级需要执行 9 点引擎 另一个执行 8 点引擎 第三个执行 4 点引擎 对任 何 iDFT 长度而言 对 2 3 5 引擎的需要永远不会超过 9 8 4 还有一个复杂的是 LTE 是一种可扩展带宽系统 简言之 就是 TDD FDD 选项均为 1 25MHz 20MHz 表二列出了不同模式实现方式 灵活性是相对 FFT 而言的 见表一 需要注意结构在执行这些 配置的时候是如何达到仍然非常有效 即使需要的资源是 20MHz 20MHz FDD 最坏情况 PC102 也 只有约 10 配置情况Max NANY2STAN2MEM2 20 MHz FDD12968178 20 MHz TDD12968178 15 MHz FDD9004176 15 MHz TDD9004176 10 MHz FDD6003126 10 MHz TDD6003126 5 MHz FDD300484 5 MHz TDD300484 3 2 MHz TDD192583 3 MHz FDD180583 1 6 MHz TDD72542 1 4 MHz FDD72542 表 2 picoArray 进行可扩展 iDFT 时所用到的资源 MIMO 在发射器和接收器端都使用多个天线以改善通信效果 也是所有 4G 系统都具有的特性 它在数据传输率和连接范围方面有很大提升 不需要额外的带宽或传输功率 它还具有更高的频谱效 率 每 Hz 带宽每秒可传输更多位数据 与连接可靠性或差异性 减少衰减 如果在 TX 端有 m 个天线 在 RX 端有 n 个 这就组成了一个 m n MIMO 系统 通道数量就是所 有组合的总数 例如 2 2 MIMO 有 4 个 通道 1 1 1 2 2 1 2 2 其性能可能是 SISO 系统 Shannon 限制的两倍 对于 4 个 通道 只有 2x 的信息可以传送 因为需要 解决 通道矩阵以抽取出 信息 在实际中 通道并不是完全独立的 有一些相关 所以其性能会受到影响 一个看似矛盾的说法是 MIMO 对于效果差的通道 更多种多路情况 更有价值 因为这些通道很少关联 而在空旷的空间里 4 个 通道都非常相似 因此优势反而不明显 结论 空中接口正变得越来越复杂 而且依赖更为复杂的算法以优化性能 效率和范围 OF