MIMO系統的快速原型設計與驗證方法介紹

空間復用式多輸入多輸出 (MIMO) 發(fā)射器與接收器據稱(chēng)可比其現有的單輸入單輸出 (SISO) 對應器件提升更大的無(wú)線(xiàn)通信系統性能。下一代無(wú)線(xiàn)標準，如 802.11n，將支持高達 600 Mbps 數據傳輸速率和超過(guò) 1 GHz 的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)傳輸速率。 　　
然而這些系統的設計，卻必須在成本和功耗方面做出折衷，這對使用電池運行的手持設備具有重要影響。設計團隊需要面對的挑戰就是針對他們的特定應用尋求這些設計要求之間的最佳平衡。
　　
此項技術(shù)的核心是多徑概念，即射頻 (RF) 信號在物理環(huán)境中的反射。雖然多徑問(wèn)題降低了現有的 802.11 設備的性能，但空間復用式正交頻分復用 (OFDM) MIMO——802.11n 標準中的一個(gè)關(guān)鍵要素——卻利用了這些反射來(lái)“調諧”發(fā)射器，最大程度地減小誤差，和提高總體性能。但在這些帶寬上，位于傳輸路徑中的物體對微波的散射、衍射和吸收是一個(gè)重要的考慮因素。設計 MIMO 系統時(shí)要求將這些影響盡可能精確地以信道模型的形式描繪出來(lái)。
　　有三種基本的信道模型來(lái)源：基于軟件的數學(xué)模型，一般來(lái)自標準委員會(huì )；基于硬件的 MIMO 信道模擬器，自行設計或由
諸如 Azimuth 之類(lèi)的公司提供；最好的則是MIMO 系統將要運行的真實(shí)世界環(huán)境。在真實(shí)世界中驗證 MIMO 系統，要求能夠在面向 MIMO 的 FPGA 硬件平臺上，如 Lyrtech 公司的 VHS-ADC-V4 卡，快速構建起發(fā)射器和接收器原型。
　　
MIMO 性能優(yōu)點(diǎn)
　　
空間復用式 MIMO 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠通過(guò)天線(xiàn)的數量提高傳輸速度。目前已有 SISO 系統的數據速率由以下公式?jīng)Q定：
　　R = Es * Bw
　　
其中 R 為數據速率（位/秒），Es 為頻譜效率（位/秒/赫茲），Bw 為通信帶寬 (Hz)。例如，對于 802.11a 標準，峰值數據速率由以下公式?jīng)Q定：
　　Bw = 20 MHz
　　Es = 2.7 bps/Hz
R = 54 Mbps
　　
使用 MIMO 時(shí)，需要為該公式引入一個(gè)附加變量 “Ns”，它代表使用相同帶寬而通過(guò)不同空間路徑同時(shí)發(fā)射的獨立數據流的數量?，F在頻譜效率將按傳輸/流 Ess 來(lái)計算，于是 MIMO 系統的數據速率變?yōu)椋?br />　　R = Ess * Bw * Ns
　　
我們把以前 802.11a 的例子和當前 802.11n 提案所能獲得的結果進(jìn)行一次比較，采用 20 MHz 帶寬和四個(gè)天線(xiàn)：
　　Bw = 20 MHz
　　Ess = 3.6 bps/Hz
　　Ns = 4
　　R = 288 Mbps
　　
MIMO 技術(shù)的使用讓所體案的802.11n標準實(shí)現了 5.3 倍數據速率的提升。
　　
MIMO 系統硬件復雜度
　　
空間復用式 MIMO 系統的性能提升是以增加硬件復雜度為代價(jià)獲得的。采用多個(gè)天線(xiàn)的發(fā)射/接收系統不只在相應天線(xiàn)之間發(fā)射數據，而且還在相鄰天線(xiàn)之間發(fā)射數據。在圖 1 中您可以看到，數據是以“MIMO 信道矩陣”的形式接收的?！　?br />
在空間域對信道矩陣進(jìn)行去耦，并恢復發(fā)射的數據過(guò)程中，需要使用到線(xiàn)性幾何技術(shù)如奇異值分解 (SVD) 或矩陣求逆等。對 802.11g 標準的后向兼容性要求使 802.11n 標準的天線(xiàn)數量限制為兩個(gè)或四個(gè)，從而使信道矩陣的尺寸限制為 2 x 2 或 4 x 4。
　　
在硬件上開(kāi)發(fā)執行實(shí)際系統數據速率的 MIMO 系統原型需要使用基于 FPGA 的硬件平臺。賽靈思reg; Virtex™-4 系列 FPGA 通過(guò)提供多達 512 個(gè)可執行并行運算的硬件乘法器，對此類(lèi)應用提供了遠遠優(yōu)于 DSP 處理器的性能。但是在設計這種原型系統時(shí)，您將面對兩項較大挑戰：第一項挑戰是要使用硬件來(lái)設計象 SVD 或矩陣求逆那樣復雜的東西，第二項挑戰是調整實(shí)現，使之達到最優(yōu)性能。
　　
FPGA 上實(shí)現矩陣運算
　　
實(shí)施中選擇專(zhuān)用 SVD 或矩陣求逆算法將是數值穩定性和硬件效率之間的折衷。您需要開(kāi)發(fā)一個(gè)高級 MATLAB 模型來(lái)確定適合某個(gè)特定應用的最高效的算法。
　　
對于 SVD 的情況，這可能涉及到在適應估計技術(shù)、矢量旋轉或其他因具有對稱(chēng)等特性的信道矩陣而產(chǎn)生的簡(jiǎn)化技術(shù)之間進(jìn)行選擇。
　　
一旦最終確定算法，您將需要調整硬件性能，使之符合總體系統要求。在硬件上實(shí)現 MIMO 系統性能的最大化，要求在設計中將會(huì )對總體性能產(chǎn)生最大影響的關(guān)鍵地方采用部分并行乘法運算來(lái)實(shí)現。圖 2 中所示的給定旋轉算法，給出了通過(guò)并行乘法運算實(shí)現性能提升的一個(gè)良好范例。