在FPGA中實(shí)施4G無線球形檢測器

　　WiMAX對寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入如同手機(jī)對語音通信一樣意義非凡。它可以取代DSL和有線服務(wù)，隨時(shí)隨地提供互聯(lián)網(wǎng)接入。只需要打開計(jì)算機(jī)，連接到最近的WiMAX天線，就可以暢游全世界的網(wǎng)絡(luò)了。

寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入遇到的最大挑戰(zhàn)之一就是移動性，而這正是最新的WiMAX標(biāo)準(zhǔn)所要解決的。IEEE 802.16e-2005介紹了傳輸和接收過程中多根天線的用法，即MIMO概念，又稱為多輸入多輸出，是移動WiMAX的一個(gè)關(guān)鍵特性。

　　空分復(fù)用(SDM) MIMO處理可顯著提高頻譜效率，進(jìn)而大幅增加無線通信系統(tǒng)的容量?？辗謴?fù)用MIMO通信系統(tǒng)作為一種能夠大幅提升無線系統(tǒng)容量和連接可靠性的手段，近來吸引了人們的廣泛關(guān)注。

　　MIMO無線系統(tǒng)最佳硬判決檢測方式是最大似然(ML)檢測器。ML檢測因?yàn)楸忍卣`碼率 (BER)性能出眾，非常受歡迎。不過，直接實(shí)施的復(fù)雜性會隨著天線和調(diào)制方案的增加呈指數(shù)級增強(qiáng)，使ASIC或FPGA僅能用于使用少數(shù)天線的低密度調(diào)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(jì)算復(fù)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(tǒng)的檢測復(fù)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(xiàn)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(shè)計(jì)人員可以在諸如無線信道的吞吐量、BER以及實(shí)施復(fù)雜性等多項(xiàng)性能指標(biāo)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(gòu)對MIMO檢測器的最終BER性能顯而易見有極大的影響，不過一般在球形檢測之前進(jìn)行的信道矩陣預(yù)處理也會對MIMO檢測器的最終BER性能產(chǎn)生巨大影響。信道矩陣預(yù)處理可繁可簡，比如根據(jù)對信道矩陣進(jìn)行的方差計(jì)算結(jié)果 (variance computation)，計(jì)算出處理空分復(fù)用數(shù)據(jù)流的優(yōu)先次序，也可以使用非常復(fù)雜的矩陣因子分解方法來確定更為理想（以BER衡量）的數(shù)據(jù)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(tǒng)開發(fā)公司，一直與賽靈思和萊斯大學(xué)（Rice University）開展通力合作，運(yùn)用FPGA設(shè)計(jì)出了用于802.16e寬帶無線系統(tǒng)的空分復(fù)用MIMO的MIMO檢測器。該處理器采用信道矩陣預(yù)處理器，實(shí)現(xiàn)了類似貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(BLAST)結(jié)構(gòu)上采用的連續(xù)干擾抵消處理技術(shù)，最終達(dá)到了接近最大似然性能。

　　系統(tǒng)考慮因素

　　理想情況下，檢測過程要求對所有可能的符號向量組合進(jìn)行ML解決方案計(jì)算。球形檢測器旨在通過使用簡單的算術(shù)運(yùn)算降低計(jì)算復(fù)雜性，同時(shí)還能夠保持最終結(jié)果的數(shù)值完整性。我們的方法，第一步是把復(fù)雜的數(shù)值信道矩陣分解為只有實(shí)數(shù)的表達(dá)式。這個(gè)運(yùn)算增加了矩陣維數(shù)，但簡化了處理矩陣元的計(jì)算。降低計(jì)算復(fù)雜性的第二個(gè)方面體現(xiàn)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 用于球形檢測器MIMO檢測的