基于FPGA的LTE MIMO检测器设计

基于FPGA的LTE MIMO检测器设计

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基于$%&'的

()*+#+"检测器设计

武良明

北京邮电大学信息与通信工程学院1北京!""-0&

法虽然在一定条件下可以达到与@2相同的性能'!(&

但搜索过程中常存在较多的迭代次数&无法达到较高的吞吐率#例如&文献'.(虽然给出了基于深度优先的设计&但是可支持的吞吐率均在V"@以下&无A)8'*

34下行峰值速率!""@A)8'*法满足2以上的需求#

2虽然有所损失&但存在广度优先算法的性能相比@

流水线结构的硬件结构设计&可以实现相对高的吞吐

)*8*DN9:9R9G6R9&2LS%属于率#其中&列表球译码$5

一种常用的广度优先的搜索算法#

本文提出了一种基于I?>U的@B@C检测器的设计方法#其中&@B@C检测算法采用列表球译码&.的天线配置及&/TU@的调制方式#通支持.W

过合理的模块划分及硬件设计&在满足234峰值吞

,-引-言

无线通信系统的发展趋势是提供更高的峰值速率"更好的服务质量以及更大的系统容量#234$56+789:;9<65=8)6+%作为$>??推出的新一代标准&A)8'*其主要系统指标之一为可支持大于!""@的下B@C$;=58)D59)+D=8;=58)D596=8,行峰值吞吐率#@

D=8%技术作为234的一种关键技术&通过在收发端

采用多天线技术&提供复用和分集增益&进一步提高通信的有效性及可靠性#

常用的@B@C检测算法可分为线性检测算法和似然检测算法.类#常用的线性检测算法包括迫零检测$E9:6F6:G)+7&HI%"最小均方误差$;)+);=;;9J+*K=J:99::6:&@@L4%"干扰抵消的最小均方误@L4M)8N*=GG9**)<9)+89:F9:9+G9GJ+G955J8)6+&差$@

@@L4,LBO%#似然检测算法主要包括最大似然$;JP);=;5)Q95)N66R&@2%和球译码$*DN9:9R9G6,R)+7&LS%等#线性检测算法虽然具有较小的算法

吐率的条件下可以显著减少硬件资源的消耗#

.-算法介绍

在一个有!3根发射天线与!X根接收天线的@B@C通信系统中&@B@C通信系统的模型如下

" # $!%

式$!%中! 为!!维的接收符号) 为等效基带XW

!!维信道传输矩阵&是!为!3WX的复矩阵) 3W

的发送符号序列) 为!!维的复加性高斯白噪&XW

所在的发送信号空间为 &星座点个数为! #./.-+(检测算法

复杂度&但其抗干扰及噪声能力比似然类算法差#2算法复杂度过高&特别在高在似然检测算法中&@

U@%时&难以工程实现#球译码算法阶调制$&/T

2算法的性能&复杂度却大大下降&因此具有逼近@

近年来逐渐受到产业界的关注#

常用的球译码算法有深度优先$R9D8NF):*8%"广度优先$A:9R8NF):*8%.种类型#深度优先的球译码算

"-,!!收稿日期 ."!",

将信道矩阵 进行 分解&则 Y &其中 为!!!XW3大小的正交矩阵& 为!3WX大小的上三角矩阵&代入式$!%&则有

*0!*

基于FPGA的LTE MIMO检测器设计

" Z " # Z

$.%则@

2检测算法公式如下$%"J:7;)+ &'%.$$%

!

3

从式$.%和$$%可以看出&随着调制阶数及天线个数的增长&@

2检测算法的复杂度呈指数级增长#./0-列表球译码 (1! 算法

基于@2检测算法&将式$$%进行展开可得

!$3

!3

%"J:7;)+$.

$/%

!

3 )& &(

"!( (** (( (*"(#!

将式$/%分为!3层进行运算&则有如下的迭代关系

!3

+($ (%" ,(& (* *& (( (

$V%*"(#!

-./("-./(#!#+.

($ (

%$&%

式$&%中!-./(为第(

层的部分欧式距$DJ:8)J59=,G5)R9J+R)*8J+G9&?4S%&+$.

( (

%为第(层到第(#!

层时的?4S增量#

实数分解$X[S%用于将矩形TU@的复星座点映射到实数域上&计算方法如式$0%#进行X[S后&!3维的复信号变为.0!3的实信号#同时&搜索树的深度会加倍&但每层对应的?4S分支数从原来的! 下降为 &从而降低了总的计算量#[ $ %][ $ %&1$ %][ $ %][ $ %

1$ %"1$ % $ %1$ %#1$ %

]

$0%

11列表球译码的搜索过程可以通过分层的树形

搜索结表示&每层可以保留23个最优的子结点#图!阐明了!&TU@调制方式下列表球译码的树形搜

索结构#从根节点出发后&需要经过.0!3层树形搜索&每一层需要计算230 个子节点的?

4S&并找出其中最小的23个点作为下一层的父节点#直到所有树搜索完成后&记录下24个叶子节点的路径及其?4S&作为结果输出#每一层所保留的23可以根据层数进行调整&进一步降低复杂度

'$(

#

图.-(1!算法搜索树*0.*

!"#"$%&'())*+"'%$"(+,-./.0/-

./2-列表球译码性能仿真

图.给出了未编码情况下的@

2算法与2LS算法性能对比结果#仿真天线配置为.W.&每层保留的点数为23Y/或23Y-#仿真结果表明&在&/TU@的调制方式下&.VR\信噪比处2

LS与@2性能几乎相同)$"R\信噪比处&23Y/的2LS相比@2约有.R\的性能损失&相比23Y

-仅有!R\左右的性能损失&可见2LS算法与@2算法的性能十分接近#

图0-(

1!算法误比特率时能仿真通过对比23Y/的2LS算法以及文献'/(中给出的@@L4算法的仿真结果&可以看出在.V]$"R\区间

内&2LS算法误比特性能相比@@L4算法存在.]$R\的性能增益#

0-列表球译码+#+"检测器硬件结构

0/.-整体结构

11图$为列表球译码的硬件结构设计#其中$个

主要模块分别为预处理模块$D:9,D:6G9**6:%"列表球译码模块$2LS%和似然比计算模块$22X%#其中&预处理模块实现了 矩阵的 分解及式$.%中

Z

的运算# 分解的硬件实现方法基于>)<9+*

变换&并采用文献'V(中的流水线结构#列表球译码中的核心部分树搜索算法由2

LS模块完成#22X模块完成了解星座映射与软比特计算的功能'&(#

图2-+#

+"检测器整体结构

基于FPGA的LTE MIMO检测器设计

下面主要介绍2LS模块的I?>U设计方法#0/0-(1!结构设计

本文所设计的@

B@C检测器2LS模块的结构如图/所示&采用的配置为.W.的@B@C&23Y/&支持&/T

U@&!&TU@和T?L^$种不同的调制方式#根据X[S公式可知&此时搜索树深度为/&流水线结构被分为/级#每一级配置一个IBIC用于存储对应的$)(与 (*#同时有若干个?4S计算单元$?4SGJ5G=5J8)6+=+)8&?O_%用于计算?4S&^L_$^,\9*8*959G8)6+=+)8%对?4S进行排序操作&得到的23个最

佳子节点作为下一级的父节点#经过四级流水线后&得到的叶子节点的分支路径与?4S作为结果进行输出#

图3-(

1!单元流水线结构图0/2-%45结构设计

每个?O_单元需要计算最多-个子节点的?4S$&/TU@调制方式下%&根据式$/%到式$&%&?O_单元设计如图V所示#

图6-%

45单元设计结构图图V中&SL?!完成了式$V%的计算#首先$)(与

(*从IBIC中读出&输入SL?!的5端口&同时父节点所对应的路径 *从S

L?!的6端口输入&从而完!3

成了 ,(& (* *的计算#之后将5端口锁定为

*"(#!

(*

&6端口输入切换到7,#&/TU@的调制方式下& 所在的空间为+`0&`V&`$&`!&!&$&V&0,&故7,取值顺序为+`

0&.&.&.&.&.&.&.,&则SL?!中累加器的输入对应即为式$V%中的+($ (%#将SL?!与SL?.进行级连&通过SL?.完成了式$&%的计算&可以看出&平方后加上父节点的?

4S&则对应输入为其子节点的?4S#

上述设计只考虑最高调制阶数&即&/TU@下的?

4S计算&!&TU@"T?L^的?4S计算也包含在结果中&之后通过在^

L_下进行处理来实现不同的调制阶数#

可以看出&?

O_通过串行运算的方法&仅使用了.个SL?单元即完成了?4S的计算&从而大大减少了乘法器及逻辑资源的需求#0/3-715结构设计

^L_需要对?O_输出的子节点的?4S进行排

序&从而得到下一级的父节点#在23Y/&&/TU@调方式下&每一级有$.个子节点需要排序#这里我们将整个^L_分为.级!第!级利用插入排序方

法&将输入的$.个子节点分为.组&每组!&个节点进行排序&得到了.组&每组保留/个最优子节点)第.级利用第一级中.组结果为有序的性质&采用分组排序中的归并方法&得到了/个最优子节点#其结构如图&所示#

图8-715结构图

不同调制方式的支持通过在第一级排序中对?O_模块的输出加上一选通器实现#若调制方式为&/T

U@&则所有?O_输出均得到排序)若调制方式为!&TU@&T?L^&则只将其中对应的有效输出进行排序#更多的排序方法请参考文献'V(#

*0$*

基于FPGA的LTE MIMO检测器设计

2-结果分析

LS算法的.W.@B@C检测器在上述基于2

a)5)+P[):89P,&I?>U$a&2a./"3%上进行了实现#9:)567L4!!b!完成了设计&采用[硬件描述语言及B

参考文献

! 1SU@4e@C >U@U2Z4 >UBX4>#C+;JP);=;,

5)Q95)N66RR989G8)6+J+R8N9*9J:GNF6:8N9G56*9*85J88)G9 f #B4443:J+*JG8)6+*6+B+F6:;J8)6+3N96:g D6)+8.""$ /% !" .$-%,./".#

. 1>UXX433S SU[BL2 \XBe^3 98J5#L)5)G6+G6;,

D59P)8gF6:;JP);=;5)Q95)N66R@B@CR989G8)6+=*)+7 f #B444f6=:+J56FL65)R,L8J89O):,*DN9:)GJ5R9G6R)+7G=)8* .""/ $% % !V//,!VV.#

$ 12B_2)J+7 @Ua)J6,()+7 h4IJ+ 98J5#S9*)7+6FZ)7N,

5g,?J:J5595.b.>AD*3N:6=7ND=8L)7+J5S989G86:F6:@B@C

22X$-!/0-!!

368J5V.$%$$c%&$/"$.c%/V$Vc%!V$!c%

并通过了@6R95*);的时序验证#设计中定点方式均为!&为位宽&以取得尽量逼近浮点的性能#表!列出了检测器2LS模块的资源消耗#

表.-+#+"检测器所耗资源统计

资源类型输入查找表触发器乘法器块存储单元

模块名

?:9,D:6G9**6:!V0"./$0!-!"

2LS$.--$/.V.&/

4\'C2 # .""-,"-,"! ."!","0,"! #N88D Lg*89;*MMM#5M."#G6;'."!""-..!V/0&.%&#N8;5#

/ 1U@Uih42 SZUX@UXUfUe^X#?J:J5595[2LBJ5,

76:)8N;F6:*8JA59)+<9:*)6+6FR9+*9;J8:)G9* f #B444?:6G99R)+7* !%-% !$& & !$.!,!$$.#

V 1i4e^@ H422i4>4X@ \_X>U 98J5#^,\9*8@B@C

R989G8)6+[2LBJ:GN)89G8=:9*JGN)9<)+7=D86/./@AD* f #B444O):G=)8*J+RLg*89;* .""& V !!V!,!!V/# & 1\UX\4XC2> 3ZC@?LCefL#XJD)R?:6868gD)+76FJ

I)P9R,3N:6=7ND=8LDN9:9S9G6R)+7F6:@B@CLg*89;* 4\'C2 # .""&,"0,"! ."!","0,"! #N88D G)89*9,9:P#)*8#D*+#9R='<)9MR6G'R6M+56JR R6)Y!"#!#!#%!#-0-$j:9DY:9Dj8gD9YDRF#

0 1i_S 2UXLLCeU 2B_S#B;D59;9+8J8)6+U*D9G8*6F

\'I)P9R,O6;D59P)8gL6F8,C=8D=8@B@CS989G8)6+ 4C2 # .""%,"/,"! ."!","0,"! #N88D F9R98R#;)*#+*g*=#9R=#8M'I4S,RA'G7),A)+'I4S,*9J:GN'<)9Mk98R )R9+8)F)9:Y6J) S)[U#6:7 5)=,.VV00#

- 1徐昌彪 武岳 鲜永菊#234,UR<J+G9R系统中改进的载

UXS进程映射机制 f #波聚合Z重庆邮电大学学报 !0$ .!$#自然科学版 ."!" .. . !0",作者简介

经过综合"布局和布线后&该@B@C检测器的工作主频可高达./Vb0&@ZE&此时吞吐率可达到!-/@A)8'*带宽&.W#假设234系统采用."@ZE.天

线配置&则下行的峰值吞吐率为$!&-$X4'X\%,./$导频d?SOOZ信道%%W!""$X\数'.$天子帧%W

线数%W秒%Y&$&/TU@比特数%W!"""$子帧'!0.b-@A)8'*&故本设计可以满足234下行!""@A)8'*峰值速率的需求#对比文献'$(和文献'0(中的设计&资源消耗显著下降#

'&(

3-结束语

'-(

本文提出了一种可以满足2需求的@34B@C

检测器硬件设计方法#采用列表球译码算法作为检测器算法&通过合理设计流水线结构及资源的复用&在较少的资源消耗情况下可以实现较高的吞吐率&并且支持&/TU@的高阶调制方式&具有较强的实用性#同时&本设计方法具有较好的可扩展性&.以及更高的天线通过一定的扩展即可以实现.WB@C检测#数目下的@

男 江苏无锡人 硕士研究生 主要研武良明 !%-V`

究方向为移动通信中的数字信号处理

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7354.html