4G空中接口通用的OFDMA和MIMO技術(shù)

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信正在不斷發(fā)生著(zhù)變化。所有新的4G空中接口(WiMAX、LTE、UMB、802.20、WiBRO、下一代PHS等等)都共享著(zhù)某些公共的技術(shù)：所有接口都基于正交頻分多址接入(OFDMA)；所有接口使用MIMO(多入多出)；所有接口都采用“扁平化架構”并且都基于IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)。

本文將討論其中的前兩項：具體地說(shuō)，首ff先是介紹如何實(shí)現OFDMA的核心DSP算法，然后是被LTE用來(lái)實(shí)現上行鏈路的新技術(shù)，最后簡(jiǎn)要介紹用于WiMAX和LTE的MIMO(所有IP方面的內容不在本文討論范圍內)。本文討論的前提條件是采用軟件定義的架構。

OFDM使用大量緊鄰的正交子載波。每個(gè)子載波采用傳統的調制方案(如正交幅度調制)進(jìn)行低符號率調制，其數據速率保持與相同帶寬下的傳統單載波調制方案相同。增強性能的OFDMA技術(shù)允許通過(guò)給多個(gè)用戶(hù)分配特殊頻率并共享信道。

采用單載波方案的OFDM的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需復雜的均衡濾波器就能夠應付多種信道條件。例如，很長(cháng)的銅線(xiàn)中產(chǎn)生的高頻衰減，窄帶干擾以及由于多徑導致的頻率選擇性衰落。由于OFDM可以看作使用許多慢速調制的窄帶信號，而不是使用一個(gè)快速調制的寬帶信號，因此信道均衡可以得到簡(jiǎn)化。低符號率可以充分利用符號間可提供的保護間隔，從而使得處理時(shí)域擴展(time-spreading)成為可能，并能消除碼間干擾(ISI)。

在目前為止的大多數系統中，如WiFi、16d和16e WiMAX和LTE下行鏈路，核心算法一直是FFT。然而，LTE上行鏈路進(jìn)行了革新，要求使用更復雜的離散傅里葉變換(DFT)。

所有這些系統不僅需要高速FFT處理，而且要求靈活性。頻增的市場(chǎng)壓力要求供應商發(fā)布的產(chǎn)品兼容較早的標準，但也必須具備足夠的靈活性，以便能通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件升級而升級到最終版本，或者是讓同一個(gè)系統支持不同的模式或不同的標準(如用于LTE和WiMAX的公共平臺)。

然而，也可以采用可編程平臺，這種可編程平臺可以在靈活的軟件引擎上高效地實(shí)現面向硬件的算法。picoChip公司的高性能PC102就是一個(gè)很好的例子，它結合了軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的面市時(shí)間和提取優(yōu)勢以及在算法中采用并行機制帶來(lái)的性能優(yōu)勢。

FFT其實(shí)就是離散傅里葉變換(DFT)的一種高效實(shí)現。對于一個(gè)N點(diǎn)DFT來(lái)說(shuō)，直接實(shí)現要求N2次復雜的乘法與加法運算，但作為一個(gè)提供難以置信的效率增益的完美例子，經(jīng)典的FFT只要求N2N次運算。

有兩種方法可以將DFT減少為一系列更簡(jiǎn)單的運算。一種方法是執行頻域抽取，另一種方法是執行時(shí)域抽取。這兩種方法需要相同數量的復雜乘法和加法運算。兩者的主要區別是，時(shí)域抽取接受數字翻轉的輸入，產(chǎn)生正常順序的輸出，而頻域抽取則接受正常順序的輸入，產(chǎn)生數字翻轉的輸出。輸入和輸出運算由所謂的蝶形運算完成。每個(gè)蝶形運算都要將輸入乘上復雜的旋轉因子e-j2πn/N。

流水線(xiàn)FFT可以采用對串行輸入流的實(shí)時(shí)連續處理進(jìn)行表征。面向硬件的方法通過(guò)盡量減少復雜乘法器的數量和所需的存儲空間來(lái)減少硅片的成本或面積。這樣可以在一定的面積上并行計算更多的單元。

FFT算法涉及到數據的暫時(shí)分離，這是由蝶形運算執行的一項任務(wù)。由于樣值要從輸入流中的不同點(diǎn)處獲取，因此流水線(xiàn)FFT需要對數據進(jìn)行緩存和重新排序。目前有許多不同的架構可以解決這個(gè)問(wèn)題。本文的FFT用例采用了標準的radix-4頻域抽取算法。

1 FFT的picoArray實(shí)現方案

picoChip PC102是一款高性能的多核DSP，專(zhuān)門(mén)針對無(wú)線(xiàn)做過(guò)優(yōu)化。它在單個(gè)裸片上集成了300多個(gè)種類(lèi)略有不同的處理器(或“陣列單元”)：每個(gè)處理器均是自帶存儲器的傳統16位哈佛結構DSP，如表1所示。

表1：PC102處理器變化和存儲器分布(*FFT的最大數量受限于可用MEM類(lèi)AE的數量)

picoArray編程模型使得組裝流水線(xiàn)結構變得非常容易，這也是實(shí)現FFT所用的方法。舉例來(lái)說(shuō)，每個(gè)radix-4蝶形運算包括4個(gè)復雜的乘法(注意，第4個(gè)蝶形運算只包含復雜的加法)，并被映射到一個(gè)獨立的處理器。每個(gè)陣列單元都是從內部總線(xiàn)獲取輸入數據，經(jīng)過(guò)處理后再向流水線(xiàn)中的下一個(gè)DSP提供輸出。由于總的吞吐量受限于最慢的陣列單元，因此理想情況下陣列單元上的每個(gè)環(huán)回都應花相同數量的周期才能實(shí)現最佳的性能。例如，如果每個(gè)陣列單元在8個(gè)周期內處理每個(gè)樣值，那么最大吞吐量在160MHz時(shí)可達每秒20M個(gè)采樣。

FFT實(shí)現接收16+j16、左對齊、按順序輸入的數據，提供16+j16、也按順序的輸出數據。在每個(gè)蝶形運算中會(huì )發(fā)生位增加現象，其中2個(gè)位用于加法，16個(gè)位用于復雜的乘法，這種位增加在采用就近舍入策略的40位STNA2 AE累加器中很容易管理。這種機制可以保持中間值的最佳可能精度 ，從而達到較高的輸出數據信噪比。圖1a顯示了本實(shí)現中的單元。

圖1b：FFT內部單元；并行FFT可實(shí)現LTE上行鏈路要求的更高吞吐量DFT

表2總結了PC102上的256點(diǎn)FFT的性能。表2給出了復雜采樣速率在10MSps和80MSps之間的256點(diǎn)FFT所要求的資源，并給出了在PC102上能以每個(gè)速率點(diǎn)執行的最大FFT數量。從表中可以看出，單個(gè)10MSps FFT需要約1.5%的資源。

表2：picoArray上的OFDMA采用的256點(diǎn) 16+j16 FFT的資源使用

從圖1b可以看出如何通過(guò)整合“構建模塊”FFT來(lái)獲得更高的吞吐量--顯然并行架構是非常適合的。

雖然目前大多數標準采用OFDM(WiFi、802.16d、Flash OFDM)或OFDMA(802.16e)，但LTE選用的上行鏈路發(fā)送機制是最新的SC-FDMA(單載波FDMA)，也稱(chēng)為DFT擴展OFDM。

與傳統OFDMA相比，SC-FDMA的優(yōu)點(diǎn)是信號具有更低的峰值/平均功率比(PAPR)，因為它采用了固有的單載波結構。這在上行鏈路中尤其重要，因為在上行鏈路中更低的PAPR可以使移動(dòng)終端在發(fā)送功效方面得到更大的好處，并進(jìn)而延長(cháng)電池使用時(shí)間。因此一些人士認為，SC-FDMA“集兩者之大成”，即單載波的低PAPR和多載波的魯棒性。當然，天下沒(méi)有免費的午餐，這些好處的代價(jià)是增加了數字處理的復雜性，如上所述。

SC-FDMA上行鏈路的實(shí)現如圖2所示，其中DFT位于OFDM調制器之前，這表明比標準OFDMA要多一些步驟。

圖2：SC-FDMA或DFT擴展OFDM

眾所周知，如果變換點(diǎn)數可以分解成少量的數(素數)，就可以高效地實(shí)現DFT。分解時(shí)素數越少，實(shí)現越簡(jiǎn)單。當然，經(jīng)典FFT使用單個(gè)素數因子2。

LTE中的DFT預編碼器尺寸取決于為指定用戶(hù)的上行鏈路數據發(fā)送分配的子信道數量。

其中N是子載波的數量，a、b和c在 N ≤1320 條件下都大于等于0 (20MHz帶寬時(shí))。對于指定的用戶(hù)，N范圍可以從12個(gè)音 (a,b,c=0,即單個(gè)資源模塊)到1296，總共35個(gè)不同的選擇，這些音再一起經(jīng)過(guò)調制形成單載波上行鏈路。然而，這是在手機發(fā)送器側，因為基站接收機要處理許多用戶(hù)，每個(gè)用戶(hù)從這些選項中作出選擇，針對所有可能的幀配置的總允許變換器數量是531、783、569。這種靈活性顯然增加了接收iDFT的復雜性。

用于分解iDFT的技術(shù)是“分而治之”，主要原理與大家熟悉的FFT相同，但iDFT的長(cháng)列表無(wú)法被分解成單個(gè)素數因子。相反，每個(gè)音可以被分解成長(cháng)度為2、3和5的三個(gè)短iDFT。這些是iDFT的“引擎”。在本例實(shí)現中，一些iDFT已經(jīng)被分解成素數因子(如4、8和9)以外的其他因子，以便將流水線(xiàn)級的最大數量減小至3，從而帶來(lái)縮短延遲的好處。

圖3顯示了LTE iDFT的邏輯結構，這種結構可用來(lái)在PC102/PC20x上實(shí)現20MHz的LTE eNodeB。

圖3：LTE iDFT庫結構

流水線(xiàn)級必須能夠實(shí)現所有35種可能的iDFT功能，并動(dòng)態(tài)地重新配置和避免由于不同長(cháng)度iDFT同時(shí)流過(guò)而造成的任何流水線(xiàn)危害。最簡(jiǎn)單的架構是重新排序+級緩沖對A、B和C都成為用來(lái)實(shí)現所有6個(gè)iDFT引擎的相同功能塊的實(shí)例(如果計算1點(diǎn)iDFT就是7臺引擎，即通過(guò)不變)。更優(yōu)化的解決方案確認只有一級需要實(shí)現9點(diǎn)引擎，另外一級需要實(shí)現8點(diǎn)引擎，第三級需要4點(diǎn)引擎，加上2、3和5個(gè)引擎，因為任何iDFT長(cháng)度都不需要超過(guò)一個(gè)9、8或4。

使事情復雜化的因素之一是，LTE是一個(gè)帶寬可擴展的系統(簡(jiǎn)言之，TDD/FDD都是1.25MHz～20MHz)。表3列出了不同模式時(shí)的不同實(shí)現方式。雖然與FFT相比靈活性有一定的代價(jià)(見(jiàn)表2)，但值得注意的是，這種架構在實(shí)現這些配置時(shí)效率仍然特別高：即使所需的20MHz+20MHz FDD(最壞情況)資源也仍只占PC102的10%。

表3：picoArray上可擴展iDFT的資源使用

2 MIMO

MIMO是指在發(fā)送機和接收機上使用多幅天線(xiàn)以改善通信性能，它是所有4G系統的一個(gè)特點(diǎn)。

MIMO不需要增加帶寬或發(fā)送功率就能顯著(zhù)地提高數據吞吐量和鏈路距離，并具有更高的頻譜效率(每秒每赫茲帶寬可傳更多的位)和鏈路可靠性或空間分集性能(降低了衰落)。

發(fā)送(TX)端有m幅天線(xiàn)，接收(RX)端有n幅天線(xiàn)，就形成了一個(gè)mn的MIMO，此時(shí)信道的數量就等于所有組合之和：例如一個(gè)22的MIMO就有4個(gè)“信道”(1-1,1-2,2-1,2-2)，性能將達到SISO系統中香農極限值的兩倍。你只能從4個(gè)“信道”中發(fā)送2倍的信息，因為你需要“解開(kāi)”信道矩陣才能提取信息。在實(shí)際應用中，信道不是完全獨立的(存在一定的相關(guān)性)，因此優(yōu)勢有所降低。事實(shí)上有個(gè)似是而非的結論，即信道越差(更多的多徑等)，MIMO的用處就越大，因為信道相關(guān)性越少。在自由空間中，由于4個(gè)信道非常相似，因此帶來(lái)的好處非常有限。

MIMO有多種不同的使用方式。拿WiMAX下行鏈路來(lái)說(shuō)，它有兩種標準的MIMO模式：Matrix A和Matrix B。前者也被稱(chēng)為空間時(shí)間編碼(STC)，它通過(guò)兩幅發(fā)射天線(xiàn)以不同的形式發(fā)送相同的信號。由于發(fā)送的是相同的符號，數據速率在SISO上不會(huì )提高，但由于兩種形式(s和-s*)不同，接收機有更好的機會(huì )恢復數據，因此魯棒性和范圍(針對指定的數據速率)得到了改善。為了在下行鏈路中實(shí)現這一技術(shù)，雖然符號率塊不受影響(發(fā)送的一個(gè)符號)，但現在有兩個(gè)突發(fā)鏈(burst chain)，它們用不同調制形式的信息饋送到兩幅天線(xiàn)。

Matrix B則相反，它通過(guò)發(fā)送兩個(gè)不同的符號來(lái)獲得雙倍的數據速率。在這種情況下，共有兩個(gè)突發(fā)鏈(針對兩幅天線(xiàn))，每個(gè)鏈處理獨立的符號；在實(shí)際應用中，它將不是簡(jiǎn)單的復制，而是符號率部分將被設計得更加快速，然后將輸出信號交替發(fā)送給兩個(gè)TX分支。實(shí)際系統同時(shí)支持兩種模式，可以根據每個(gè)用戶(hù)要求選擇Matrix A或B：向條件較好的系統以較快的速度發(fā)送數據，而使用STC能使蜂窩邊緣的系統受益。

這非常適合多核架構。如圖4所示，有兩個(gè)獨立的突發(fā)鏈饋送倒兩幅天線(xiàn)：同樣的架構被簡(jiǎn)單地例示了兩次，這對工程師來(lái)說(shuō)非常簡(jiǎn)單。這個(gè)特殊的圖實(shí)際上稍微有些復雜，在實(shí)際應用中，許多系統都結合使用MIMO和多種空間技術(shù)，如波束成形、“調零”(null-steering)天線(xiàn)或SDMA。這個(gè)特殊設計共有8幅天線(xiàn)，配置為每個(gè)MIMO分支4幅，每個(gè)天線(xiàn)都可以獨立控制。

圖4：具有兩個(gè)獨立突發(fā)鏈的MIMO下行鏈路系統

在接收機側，信號處理相對更加復雜：不僅因為Matrix B有更高的峰值數據速率，而且用于區分不同信號的接收機特別復雜。

3 本文小結

空中接口正變得越來(lái)越復雜，并且依賴(lài)于更復雜的算法才能獲得最佳的性能、效率和范圍?；贔FT的OFDMA已經(jīng)成為下一代無(wú)線(xiàn)的標準技術(shù)。但最新的技術(shù)，如LTE，也在尋求做出更多的改善：它們采用更復雜的技術(shù)，如SC-FDMA，并要求靈活的DFT技術(shù)。

我們可以使用軟件可編程架構來(lái)模仿面向硬件的折中所具有的優(yōu)勢和靈活性，引導系統制造商更早地進(jìn)入需要WiMAX和LTE等算法的市場(chǎng)。這樣就能讓他們比競爭對手更早地推出產(chǎn)品，并仍確保與標準的兼容。事實(shí)上，一個(gè)合適的架構可以實(shí)現從一個(gè)公共平臺開(kāi)始的所有標準(如802.16d/e和LTE，以及下一代PHS或UMB)。擴展這種架構以支持MIMO相對比較簡(jiǎn)單。