在FPGA中實(shí)施4G無(wú)線(xiàn)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(yǔ)音通信一樣意義非凡。它可以取代 DSL 和有線(xiàn)服務(wù)，為您隨時(shí)隨地提供互聯(lián)網(wǎng)接入。您只需要打開(kāi)計算機，連接到最近的 WiMAX 天線(xiàn)，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之一就是移動(dòng)性，而這正是最新的 WiMAX 標準所要解決的。IEEE 802.16e-2005 介紹了傳輸和接收過(guò)程中多根天線(xiàn)的用法，即 MIMO 概念，又稱(chēng)為多輸入多輸出，是移動(dòng) WiMAX 的一個(gè)關(guān)鍵特性。

　　空分復用 (SDM) MIMO 處理可顯著(zhù)提高頻譜效率，進(jìn)而大幅增加無(wú)線(xiàn)通信系統的容量?？辗謴陀?MIMO 通信系統作為一種能夠大幅提升無(wú)線(xiàn)系統容量和連接可靠性的手段，近來(lái)吸引了人們的廣泛關(guān)注。

　　MIMO 無(wú)線(xiàn)系統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(guò)，直接實(shí)施的復雜性會(huì )隨著(zhù)天線(xiàn)和調制方案的增加呈指數級增強，使 ASIC 或 FPGA 僅能用于使用少數天線(xiàn)的低密度調制方案。

　　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 和空分多接入系統的檢測復雜性，同時(shí)又能保持與最佳 ML 檢測相媲美的 BER 性能。實(shí)現球形檢測器有多種方法，每種方法又有多種不同算法，因此設計人員可以在諸如無(wú)線(xiàn)信道的吞吐量、BER 以及實(shí)施復雜性等多項性能指標之間尋求最佳平衡。

　　雖然算法（比如 K-best 或者深度優(yōu)先搜索）和硬件架構對 MIMO 檢測器的最終 BER 性顯而易見(jiàn)有極大的影響，不過(guò)一般在球形檢測之前進(jìn)行的信道矩陣預處理也會(huì )對 MIMO 檢測器的最終 BER 性能產(chǎn)生巨大影響。信道矩陣預處理可繁可簡(jiǎn)，比如根據對信道矩陣進(jìn)行的方差計算結果 (variance computaTIon)，計算出處理空分復用數據流的優(yōu)先次序，也可以使用非常復雜的矩陣因子分解方法來(lái)確定更為理想（以 BER 衡量）的數據流處理優(yōu)先次序。

　　Signum Concepts 是一家總部位于圣地亞哥的通信系統開(kāi)發(fā)公司，一直與賽靈思和萊斯大學(xué)（Rice University）開(kāi)展通力合作，運用 FPGA 設計出了用于 802.16e 寬帶無(wú)線(xiàn)系統的空分復用MIMO 的MIMO 檢測器。該處理器采用信道矩陣預處理器，實(shí)現了類(lèi)似貝爾實(shí)驗室分層空時(shí) (BLAST)結構上采用的連續干擾抵消處理技術(shù)，最終達到了接近最大似然性能。

　　系統考慮因素

　　理想情況下，檢測過(guò)程要求對所有可能的符號向量組合進(jìn)行 ML 解決方案計算。球形檢測器旨在通過(guò)使用簡(jiǎn)單的算術(shù)運算降低計算復雜性，同時(shí)還能夠保持最終結果的數值完整性。我們的方法，第一步是把復雜的數值信道矩陣分解為只有實(shí)數的表達式。這個(gè)運算增加了矩陣維數，但簡(jiǎn)化了處理矩陣元的計算。降低計算復雜性的第二個(gè)方面體現在，減少檢測方案分析和處理的可選符號。其中，對信道矩陣進(jìn)行 QR 分解是至關(guān)重要的一步。

　　圖 1 顯示的是如何進(jìn)行數學(xué)轉換，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(guò)程的基礎。R代表三角形矩陣，用于處理以矩陣元 rM,M 開(kāi)始的可選符號的迭代法。其中，M代表信道矩陣以實(shí)數表達的維數。該解決方案通過(guò) M 次迭代定義出遍歷樹(shù)結構，樹(shù)的每層i對應第i根天線(xiàn)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(xiàn)的次序對 BER 性能有著(zhù)極大的影響。因此，在進(jìn)行球形檢測前，我們的設計采用了類(lèi)似于 V-BLAST 技術(shù)的信道重新排序技術(shù)。

　　實(shí)現樹(shù)的遍歷有幾種可選方法。在我們的實(shí)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構，因此具有硬件友好特征。在每一層，該實(shí)施方案只選擇K 個(gè)距離最小的幸存節點(diǎn)來(lái)計算擴展情況。

　　球形檢測器處理天線(xiàn)的次序對 BER 性能有著(zhù)極大的影響。因此，在進(jìn)行球形檢測前，我們的設計采用了類(lèi)似于 V-BLAST 技術(shù)的信道重新排序技術(shù)。

　　該方法通過(guò)多次迭代，計算出信道矩陣的偽逆矩陣的行范數，然后確定信道矩陣最佳列檢測次序。根據迭代次數，該方法可以選擇出范數最大或者最小的行。歐幾里德范數最小的逆矩陣行表示天線(xiàn)的影響最強，而歐幾里德范數最大的行則表示天線(xiàn)的影響最弱。這種新穎的方法首先處理最弱的數據流，隨后依次迭代處理功率從高到低的數據流。